WO2021246463A1 - 複合材料積層体 - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2325/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring; Derivatives of such polymers
- C08J2325/02—Homopolymers or copolymers of hydrocarbons
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C08J2371/00—Characterised by the use of polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Derivatives of such polymers
- C08J2371/08—Polyethers derived from hydroxy compounds or from their metallic derivatives
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- C08J2371/12—Polyphenylene oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2377/00—Characterised by the use of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Derivatives of such polymers
- C08J2377/06—Polyamides derived from polyamines and polycarboxylic acids
Definitions
- Vibration damping materials that convert vibration energy into other energy to reduce vibration are used in various technical fields such as members of vehicles or electrical equipment, or structural materials of construction or containers. Then, daily studies are being made to improve the vibration reducing performance (hereinafter referred to as vibration damping property) of the vibration damping material and to reduce the weight of the vibration damping material without deteriorating the mechanical characteristics.
- a vibration damping material a type in which an inorganic filler such as calcium carbonate, a modifier, a fiber material and a pace polymer containing a plasticizer are restrained with a steel plate or a viscoelastic resin sheet, or a filler and an additive are used.
- a typical type is to apply a modified acrylic resin containing the above to the object.
- the thickness of the composite material laminate 1 in the present embodiment is preferably 2 to 100 mm, more preferably 5 to 80 mm.
- the thickness of the composite material laminate 1 is calculated by the method described in Examples described later.
- the foam layer 2 in the present embodiment preferably contains a thermoplastic resin and a metal compound, and more preferably contains a polyamide resin and a metal compound.
- the inclusion of the metal compound in the foam layer has the effect of increasing the adhesive force with the following adhesive materials.
- a polyamide resin which is a thermoplastic resin and a metal compound are used in combination, a synergistic effect is obtained in which the hydrolysis reaction due to scavenging of radicals can be suppressed.
- the pre-foamed particles can be obtained by impregnating (impregnating) the pelletized first resin (for example, a thermoplastic resin) with a foaming agent to cause foaming.
- a foaming agent for example, a thermoplastic resin
- This foaming is pre-foaming, not final stage foaming.
- the average particle size of the pre-foamed particles can be measured by a classification method using a standard sieve specified in JIS Z8801-1: 2006 for 100 g of pre-foamed particles.
- the average particle size of the pre-foamed particles is preferably 1.0 to 4.0 mm, more preferably 1.2 to 3.0 mm. If the average particle size is less than 1.0 mm, it is difficult to handle in the manufacturing process, and if it exceeds 4.0 mm, the surface accuracy of a complicated molded product tends to decrease, which is not preferable.
- the shape of the preliminary foamed particles of the present embodiment is not particularly limited and may be various shapes.
- the surface of the foam layer 2 further has a molten resin layer 5.
- the composite material laminate 1 of the present embodiment is preferably a laminate in which the metal base material 4-adhesive layer 3-foam layer 2-resin melt layer 5 are laminated in this order.
- the resin molten layer 5 is defined as a layer in which the closed cell structure of the foamed particles disappears due to thermal melting.
- the surface of the composite material laminate 1 according to the present invention on the foam layer 2 side is provided with an opening having an average diameter of 0.1 mm or more and 3 mm or less.
- the composite material laminate 1 is a laminate in which a metal base material 4, an adhesive layer 3, and a foam layer 2 are laminated in this order.
- FIG. 1 shows, as an example of a preferable form of the composite material laminate 1, a form in which the resin melt layer 5, which is the above-mentioned optional component, is provided on the surface of the foam layer 2.
- there are a plurality of openings (not shown in FIG.
- the depth of the opening 6 in the thickness direction is preferably 0.01 to 2 mm, more preferably 0.1 to 1 mm.
- the depth of the opening 6 in the thickness direction is calculated by the method described in Examples described later.
- the composite material laminate 1 of the present embodiment has an adhesive layer 3.
- the adhesive layer 3 in the present embodiment can be a layer for joining the metal base material 4 and the foam layer 2.
- the adhesive layer 3 can be appropriately selected depending on the purpose or application.
- the adhesive layer 3 can be formed by using an adhesive composition containing various thermosetting resins, thermoplastic resins, rubber, and the like.
- the foam melt layer in which a part of the foam layer 2 is melted may be used as the adhesive layer 3.
- the composite material laminate 1 is a foam melt layer in which the foam layer 2 is directly laminated on the surface of the metal base material 4 and the foam layer 2 near the surface of the metal base material 4 is melted. It may be a formed laminate. In this case, the foam melt layer is used as the adhesive layer 3.
- the thickness of the surface layer is preferably large, but from the viewpoint of weight reduction of the foam molded body, it is preferably 1 mm or less.
- the thickness of the foam melt layer is determined by the method described in Examples described later.
- the closed cell ratio of the foam melt layer is preferably less than 30%, and preferably 0.1% or more and 20% or less. As the method for measuring the closed cell ratio of the foam melt layer, the above method for measuring the closed cell ratio of the foam layer 2 can be applied.
- the first resin used for the foam layer is a crystalline resin
- it is preferably Tm ° C. or higher and less than (Tm + 100) ° C., preferably (Tm + 10) ° C. or higher, when the melting point temperature is “Tm (° C.)”. It is more preferably less than (Tm + 90) ° C. If the heating temperature of the foam (layer) is too low, the fluidity of the molten resin is poor, and the bubbles generated on the obtained designed surface do not disappear, which may reduce the design of the foam (layer). There is. Further, if the heating temperature of the foam (layer) is too high, the inside of the foam layer is heated and contracts during cooling, so that elastic rebound force cannot be obtained during compression and the surface smoothness may deteriorate. be.
- the obtained polyamide prefoamed particles (2b) were encapsulated in an autoclave, compressed air was introduced over 1 hour until the pressure in the autoclave reached 0.4 MPa, and then the pressure was maintained at 0.4 MPa for 24 hours. By doing so, the polyamide prefoamed particles (2b) were subjected to a pressure treatment.
- the strands discharged from the deformed extrusion die are pelletized under water to form a foam (layer) (2), whereby an opening is provided in the foam (layer) (2).
- the average opening diameter of the opening was 1.1 mm.
- the depth was 1.2 mm.
- the pressure-treated polyamide pre-foamed particles (6c) were filled in the cavity of the in-mold molding die (cavity dimensions: length: 300 mm, width: 300 mm, height: 30 mm), and then molded. Then, this mold was attached to the in-mold foam molding machine.
- the saturated steam at 105 ° C. is supplied into the cavity for 10 seconds, and then the saturated water vapor at 112 ° C. is supplied into the cavity for 30 seconds to foam and heat-fuse the polyamide prefoamed particles (1c).
- the polyamide pre-foamed particles (1c) were formed into the foam layer (7).
- the obtained foam layer (7) was cooled by supplying cooling water into the cavity of the mold, and then the mold was opened to take out the polyamide foam (layer) (7).
- the specific volume of the polyamide foam (layer) (1) after drying was 5.4 (cc / g), and the bending strength was 4.5 MPa.
- the foam (layer) (7) did not show any defects due to poor filling of the foam particles.
- the elongation at the time of tensile fracture measurement was 10%.
- the obtained polyamide prefoamed particles (1b) are encapsulated in an autoclave, compressed air is introduced over 1 hour until the pressure in the autoclave reaches 0.2 MPa, and then the pressure is held at 0.2 MPa for 24 hours. By doing so, the polyamide prefoamed particles (1b) were subjected to a pressure treatment.
- Example 12 ⁇ Test piece (1)>
- the composite material laminate (composite of the foam layer, the foam melt layer, and the metal base material) produced in Example 12 will be described with reference to FIG. 7.
- the foam layer 2 the foam (layer) (1) produced above was cut out to a size of 100 mm ⁇ 25.5 mm ⁇ 26 mm.
- a metal base material 4 having the dimensions shown in FIG. 7 (a) (metal base material (2): surface-treated by the method of patent publication JP4270444 made of aluminum A6061) was prepared. Then, as shown in FIG.
- the infrared heater type heater 10 "Metro Denki Kogyo Handy Heater HK-2028W (200V 2800W)" is installed at a position about 5 cm away from the surface of the cut out foam layer 2.
- the surface to be bonded to the metal substrate 4 was heated for 1 minute (see FIG. 7 (b), heating by an infrared heater type heater 10 from three directions).
- FIG. 7 (c) the metal base material 4 (metal base material (2)) is pressed against the heated foam layer 2 with the recesses expanded, and FIG. 7 (c) shows.
- a plurality of glass beads are sprinkled on the coated surface of the adhesive composition (3), and a load of 30 kg is applied on the foam layer (10) in a molding die, and the predetermined temperature shown in Table 1 is applied.
- the adhesive composition (3) was cured by treating with time (23 ° C., 24 hours). At this time, the adhesive composition (3) protruding from the edge was scraped off. Then, a composite material laminate having a structure of a metal base material (1) -adhesive layer (3) -foam layer (10) was produced.
- Impact resistance test Machined to 60 mm x 60 mm. Vibration damping test It was machined to a length of about 285 mm and a width of about 20 mm. The impact resistance test and vibration damping property test shown in Table 2 were performed on the machined test piece (2).
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Abstract
Description
そこで、本開示の目的は、耐衝撃性及び制振性に優れた複合材料積層体を提供することである。
前記金属基材と前記接着層との界面のせん断破断強度(S)が1.0MPa以上であり、前記界面のせん断破断強度(S)を、前記発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)が0.007以上0.5以下である、複合材料積層体である。
[2]本実施形態において、前記発泡体層の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)から20℃除した温度における75%圧縮の圧縮強度が、0.3MPa以上であることが好ましい。
[3]本実施形態において、室温(23℃)での中央加振法を用いた測定における50~2000Hzの損失係数が0.05以上であり、かつ、80℃での中央加振法を用いた測定における損失係数が、50~2000Hzの範囲内で室温時の損失係数の1.2倍以上となることが好ましい。
[4]本実施形態において、前記発泡体層の引張破断測定時の伸びが、10%以上であることが好ましい。
[5]本実施形態において、前記接着層と接する前記金属基材の表面における前記金属基材の表面粗度(Rz)が、0.5μm以上300μm以下であることが好ましい。
[6]本実施形態において、前記発泡体層の曲げ弾性率が、20~2000MPaであることが好ましい。
[7]本実施形態において、前記発泡体層の引張破断測定時の伸びが、10%以上であることが好ましい。
[8]本実施形態において、前記発泡体層の曲げ弾性率が、20~2000MPaであり、
以下の式(I):
(式2):
複合材料積層体の全体透過損失(B)-複合材料積層体に用いる金属基材の透過損失(A)
[14]本実施形態において、前記接着層は、前記発泡体層の一部が溶融した前記発泡体溶融層であることが好ましい。
金属基材、接着層及び発泡体層の順に積層され、かつ界面のせん断破断強度(S)と、界面のせん断破断強度に対する発泡体層の曲げ弾性率の比率(S/F)とを特定の範囲にすることにより、複合材料積層体全体として優れた耐衝撃性及び制振性を示す。
本実施形態において、金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)は、1.0MPa以上である。金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)の下限は、好ましくは1.5MPa以上、より好ましくは2.0MPa以上、さらに好ましくは2.5MPa以上である。一方、金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)の上限は、好ましくは30MPa以下、より好ましくは20MPa以下、さらに好ましくは15MPa以下である。金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)の好ましい範囲は、上記下限及び上限を任意に組み合わせすることができる。
金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)が1.0MPa以上であると、振動状態の環境下に曝された環境で接着性を維持でき、なおかつ湿熱環境の変化に伴う材料の膨張および収縮の歪を吸収できるという効果を奏する。
金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)の上限は、30MPa以下であることがさらにより好ましく、23MPa以下であることが特に好ましい。
なお、金属基材と接着層との界面のせん断破断強度(S)の測定方法は、実施例の欄に記載した方法を準用する。
本実施形態において、界面のせん断破断強度(S)を、発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)は、0.007以上0.5以下である。前記界面のせん断破断強度(S)を発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)の下限は、好ましくは0.008以上、より好ましくは0.01以上、さらに好ましくは0.012以上である。一方、前記界面のせん断破断強度(S)を発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)の上限は、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.2以下である。前記界面のせん断破断強度(S)を発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)の好ましい範囲は、上記下限及び上限を任意に組み合わせすることができる。
前記界面のせん断破断強度(S)を発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)が0.007以上であると、複合材料積層体に衝撃エネルギーが加わった場合に、発泡体(層)が剥離をせず、なおかつ発泡体(層)の粘弾性特性により、金属の変形を少なく、かつエネルギーを広い面積に分散させることができるという効果がある。一方、当該(S/F)が0.5以下であると、衝撃エネルギーが加わった場合に発泡体(層)の剛性により十分に制振効果が発揮され、金属の振動によるエネルギー伝達を抑制でき、金属から発泡体へエネルギーが伝達され、吸収効率が高まる。
また、界面のせん断破断強度(S)が強い場合、鋭利な形状の物体から衝撃を受けた際に、応力が集中してしまうため、発泡体層に破断が生じやすくなり、エネルギー吸収性が低下するため、金属基材と接着層とは、適度な接着力が好ましい。特に、S/Fが、0.5以下であることが好ましい。
なお、界面のせん断破断強度(S)を発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)の算出方法は、実施例の欄に記載した方法を準用する。
以下、図を参照して、本実施形態の複合材料積層体を説明する。図1に示すように、複合材料積層体1は、金属基材4と、当該金属基材4の一方の面に設けられた接着層3と、当該接着層3の一方の面に設けられた発泡体層2とを有する積層体である。また、図1では、複合材料積層体1の好ましい形態として、後述の任意成分である樹脂溶融層5が、発泡体層2の表面に設けられた形態を示している。
「複合材料積層体の好ましい特性」
本実施形態において、発泡体層2の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)から20℃除した温度における複合材料積層体1の75%圧縮の圧縮強度が、0.3MPa以上であることが好ましく、0.35MPa以上5MPa以下であることがより好ましく、0.4MPa以上3MPa以下であることがさらに好ましい。
発泡体層2の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)20℃除した温度[Tm(℃)又はTg(℃)-20℃]において、本実施形態の複合材料積層体1の75%圧縮の圧縮強度を測定すると、接着工程の前処理において、金属基板4側からの伝熱により直接的に、あるいは、赤外線照射などにより間接的に発泡体表面を加熱し、続く、接着工程では、金属基板4側、あるいは、発泡体層2側から十分な荷重を与えても、接着層3に隣接する発泡体層2の圧縮変形により接着層3に荷重を付与できる効果を定量的に把握できるという観点で好ましい。そして、当該温度での本実施形態の複合材料積層体1の75%圧縮の圧縮強度が0.3MPa以上であると、接着層3を形成する際に、ボイドの発生を抑制でき、凹凸部への樹脂の侵入を促進できる観点で好ましい。さらには、当該圧縮強度が0.3MPa以上であると、上記金属基材4と接着層3との界面のせん断破断強度(S)及び当該界面のせん断破断強度(S)を発泡体層2の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)を所定の範囲に制御しやすくなる。
また、発泡体層2の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)20℃除した温度[Tm(℃)又はTg(℃)-20℃]としては、具体的には、40~300℃であることが好ましく、100~250℃であることがより好ましい。
なお、複合材料積層体1の75%圧縮の圧縮強度の測定方法は、実施例の欄に記載した方法を準用する。
本実施形態において、80℃での中央加振法を用いた測定における損失係数(η80)が、50~2000Hzの範囲内で室温(23℃)時の損失係数(η23)の1.2倍以上となることが好ましく、1.3~10倍であることがより好ましい。
本実施形態の複合材料積層体1が、室温(23℃)での中央加振法を用いた測定における50~2000Hzの損失係数(η23)が、0.05以上であり、かつ80℃での中央加振法を用いた測定における損失係数(η80)が、50~2000Hzの範囲内で室温(23℃)時の損失係数(η23)の1.2倍以上を示すと、振動の減衰が速い制振性により優れた材料であることが確認できる。
本実施形態において、80℃での中央加振法を用いた測定における50~2000Hzの損失係数(η80)が、0.06~0.6であることが好ましく、0.072~0.5であることがより好ましい。
なお、損失係数の測定方法は、実施例の欄に記載の通り、JIS K7391に基づいて、中央加振法により計測した周波数応答関数の2次共振のピークから、半値幅法により損失係数を算出している。
本実施形態の複合材料積層体1は、発泡体層2を有する。そして、本実施形態における発泡体層2は、20~2000MPaの曲げ弾性率と、3%未満の加熱寸法安定性とを備えていることが好ましい。
本実施形態における発泡体層2は、独立気泡型発泡体であることが好ましい。当該独立気泡型発泡体とは、独立気泡型のビーズ発泡成形法による発泡体である。より詳細には、独立気泡型発泡体は、樹脂膜で隔てられた独立気泡を有し、気泡の膨張に起因する発泡粒子間の相互に融着する機構により成形されるため、通常得られる発泡体の気泡構造が基本的に独立気泡構造となる発泡体である。そのため、剛性による遮音特性がより発揮されやすくなる。
本実施形態において、発泡体層2の曲げ弾性率は、20~2000MPaであることが好ましく、25~1500MPa以上であることがより好ましく、30~1000MPaであることがさらに好ましい。
本実施形態において、発泡体層2の加熱寸法安定性は、以下の一般式(I):
本実施形態において、発泡体層2の引張破断測定時の伸びが、10%以上であることが好ましく、12%以上80%以下であることがより好ましく、15%以上%50以下であることがさらに好ましい。
発泡体層2の引張破断測定時の伸びが10%以上であると、複合材料積層体1に衝撃エネルギーが加わった場合に、発泡体層2の曲げ変形による破断を抑制でき、高い歪みの状態でも衝撃吸収特性が維持できるという観点で好ましい。また、発泡体層2の引張破断測定時の伸びを10%以上にすることにより、界面のせん断破断強度(S)と界面のせん断破断強度に対する発泡体層2の曲げ弾性率の比率(S/F)とを特定の範囲に制御しやすくなる傾向を示す。
本実施形態における発泡体層2の厚さは、2~100mmが好ましく、5~80mmがより好ましい。ここでいう厚さとは、本発明に係る複合材料積層体1における発泡体層2の厚さの数平均値をいい、上記のL0(140℃の雰囲気下で30分間静置する前における発泡体層2の平均厚み(μm)に相当する。本明細書では、層厚をノギスなどの測長機器により発泡体層を6回測定した結果の数平均値を意味する。
本実施形態において、発泡体層2の平均気泡径が10~300μmであることが好ましく、より好ましくは20~280μmの範囲であり、さらに好ましくは30~270μmの範囲である。
発泡体層2の平均気泡径が上記範囲であると、独立気泡内の空気層による衝撃吸収エネルギーを分散でき、かつ独立気泡の座屈を抑制できる観点から好ましい。また、発泡体層2の平均気泡径が上記範囲であると、上記金属基材4と接着層3との界面のせん断破断強度(S)及び当該界面のせん断破断強度(S)を発泡体層2の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)を所定の範囲に制御しやすくなる。なお、発泡体層2の平均気泡径の測定方法は、実施例の欄に記載した方法を適用する。
本実施形態において、発泡体層2の独立気泡率は、特に限定されないが、30%以上99%以下であることが好ましい。独立気泡率がこの範囲であることにより、圧縮時に弾性反発力が維持され、金型への追従性が向上し、表面平滑性が高い意匠面を形成することができる。本実施形態の発泡体層2の独立気泡率は、複合材料積層体1の強度を向上させると共に、連続気泡部分において生じ得る樹脂中への水の取り込みを生じにくくして、発泡体層2の密度を低下しにくくする観点から、80%以上99%以下であることがより好ましく、85%以上99%以下であることが更に好ましい。
なお、独立気泡率S(%)は、下記式(1)で表される式により算出される。
S(%)={(Vx-W/ρ)/(Va-W/ρ)}×100
・・・(1)
上記式(1)中、Vxは、発泡体層2の真の体積(cm3)であり、Vaは、発泡体層2の見かけの体積(cm3)であり、Wは、発泡体層2の重量(g)であり、ρは、発泡体層2の樹脂密度(g/cm3)である。
本発明の発泡体層2は、発泡粒子の形態で、第1樹脂を含む。そして、当該第1樹脂は、熱可塑性樹脂であることが好ましい。
予備発泡粒子の原料としての基材樹脂の粒子又はペレットには、任意の3次元形状を付与することができる。かかる3次元形状としては、特に限定されないが、中実のビーズ形状、中空部又は凹外形部を有するビーズ形状などが挙げられる。
本実施形態において、発泡体層2の表面が溶融した樹脂溶融層5をさらに有することが好ましい。換言すると、本実施形態の複合材料積層体1は、金属基材4-接着層3-発泡体層2-樹脂溶融層5の順に積層された積層体であることが好ましい。そして、前記樹脂溶融層5は、熱溶融により発泡粒子の独立気泡構造が消失した層として規定される。
上述したように、本発明に係る複合材料積層体1は、金属基材4を内側とした場合、発泡体層2が外側に形成されており、金属基材4-接着層3-発泡体層2の順に積層された構成を必須とする。上記樹脂溶融層5は、発泡体層2の最外側の表面部(に存在する第1樹脂を含有する発泡粒子)が熱溶融された層である。そのため、当該樹脂溶融層5の内部は、第1樹脂(例えば、熱可塑性樹脂)を含有する発泡粒子の独立気泡構造が消失し、第1樹脂が詰まった構造である。
なお、樹脂溶融層5の層厚は、後述する実施例記載の方法によって算出する。
本発明に係る複合材料積層体1における発泡体層2側の表面には、平均直径0.1mm以上3mm以下の開口部が、設けられていることが好ましい。以下、図1~3を参照して複合材料積層体1の好ましい形態を説明する。図1に示すように、複合材料積層体1は、金属基材4と、接着層3と、発泡体層2との順に積層された積層体である。また、図1では、複合材料積層体1の好ましい形態の一例として、上述した任意成分である樹脂溶融層5が、発泡体層2の表面に設けられた形態を示している。本実施形態において、複合材料積層体1の発泡体層2の表面(樹脂溶融層5が形成されている場合は、樹脂溶融層5の内部)には複数の開口部(図1では図示せず)を設けてもよい。図1の複合材料積層体1の表面に開口部を設けた例を図2に示す。図2は、説明の便宜上、開口部6が設けられた複合材料積層体1の断面図を表す。図2の例では、開口部6は、発泡体層2内部の多孔質領域が外部に露出されている状態を示している。図3は、図2で示す複合材料積層体1の発泡体層2の部分を拡大した図である。そして図3(a)は、発泡体層2の発泡体中の空孔が閉塞した多孔体構造(独立気泡構造)を示している。また図3(b)は、図3(a)の断面図を表し、発泡体層2の発泡体中の閉塞した空孔7が多数存在している。一方、図3(c)は、発泡体層2の発泡体中の空孔が連通した多孔体構造(連通気泡構造)を示している。また図3(c)は、図3(d)の断面図を表し、発泡体層2の発泡体中の空孔が多数連通した状態で存在している。
本実施形態において、発泡体層2は、上述した図3(a)及び(b)のような独立気泡構造を有することが好ましい。
すなわち、平均直径=(dmax+dv)/2である。
なお、開口部6の平均直径は、後述する実施例記載の方法によって算出する。
本実施形態の複合材料積層体は、金属基材4を有する。そして、本実施形態における金属基材4は、特に制限されることはなく、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、軽量化を重視する場合、金属基材の材料としては、例えば、アルミニウム板、アルミニウム合金板、マグネシウム板、又はマグネシウム合金板などが好ましい。機械的強度を重視する場合は、当該金属基材4としては、鉄、鉄鋼材、ステンレス、銅、銅合金、マンガン、マンガン合金、チタン、又はチタン合金などが好ましい。制振性を重視する場合は、当該金属基材としては、マグネシウム、マグネシウム合金、鉄系合金、銅合金、又はマンガン合金などが好ましい。また、金属基材4の形状は、接着層3あるいは発泡体層2と密着可能な面を有していれば、使用目的に応じて適宜選択することができ、いわゆる平面板又は曲面板などが挙げられる。
なお、金属基材4の平均厚さは、後述する実施例記載の方法によって算出する。
また、本実施形態において、酸、アルカリ又は酸化剤などの薬品を使用して、金属基材4の表面を酸化、エッチングして、接着層3又は発泡体層2に対する親和性を向上させる方法、オゾン、プラズマ、紫外線などにより金属基材4の表面を酸化、エッチングして、接着層3又は発泡体層2に対する親和性を向上させる方法、あるいは金属基材4にシラン又はチタネートなどのプライマー処理を行い、接着層3又は発泡体層2に対する親和性を向上させる方法を適用してもよい。
本実施形態の複合材料積層体1は、接着層3を有する。本実施形態における接着層3は、金属基材4と発泡体層2とを接合せしめるための層でありうる。接着層3は、目的又は用途に応じて適宜選択することができる。例えば、各種の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又はゴムなどを含有する接着剤組成物を用いて接着層3を形成することができる。また、発泡体層2の一部が溶融した発泡体溶融層を接着層3としてもよい。より詳細には、複合材料積層体1は、金属基材4の表面に発泡体層2が直接積層され、かつ前記金属基材4の表面近傍の発泡体層2が溶融した発泡体溶融層を形成している積層体であってもよい。この場合、発泡体溶融層を接着層3とする。
また、必要により、溶媒などの低分子化合物を除去する目的で接着層3を乾燥してもよい。当該乾燥方法としては、自然乾燥法、通風乾燥法、加熱乾燥、減圧乾燥法などが挙げられる。
当該発泡体溶融層の厚みは、特に限定されないが、機械特性を発現する観点から、0.1mm以上が好ましい。0.1mm以上であると、耐衝撃性を発現できる。また、曲げ強度、圧縮強度の観点から、表面層の厚みは、大きいことが好ましいが、発泡成型体の軽量化の観点から1mm以下が好ましい。
なお、発泡体溶融層の厚みは、後述する実施例記載の方法によって求める。
また、本実施形態において、発泡体溶融層の独立気泡率は、30%未満であることが好ましく、0.1%以上20%以下であることが好ましい。発泡体溶融層の独立気泡率の測定方法は、上記の発泡体層2の独立気泡率の測定方法を適用できる。
本実施形態における複合材料積層体1は、上述の通り、公知の方法を用いて金属基材4上に接着層3及び発泡体層2を積層して製造することができる。例えば、本実施形態の複合材料積層体1の製造方法において、発泡体層2を金属層4又は接着層3上に形成する前に、当該発泡体層2として使用する発泡体を構成する第1樹脂を予備加熱する予備加熱工程を行ってもよい。
より詳細には、当該予備加熱工程は、第1樹脂が非晶性樹脂であるか、あるいは第1樹脂が結晶性樹脂であるかによって、予備加熱温度を調整できる。すなわち、前記予備加熱工程は、第1樹脂のガラス転移温度以上(第1樹脂が非晶性熱可塑性樹脂である場合)、または第1樹脂の融点温度以上(第1樹脂が結晶性熱可塑性樹脂である場合)で加熱する工程であることが好ましい。予備加熱工程を実施することによって、発泡体の表面部を溶融流動化させ、また樹脂溶融層又は発泡体溶融層を形成させたい部位を選択的に加熱、軟化させることができる。その後に圧縮と金型の急冷却工程を実施することによって、発泡体層2の表面部又は発泡体層と金属基材との接着面近傍に写像鮮明性の良い比較的に平滑な層が形成された複合材料積層体1を得ることができる。
本実施形態における複合材料積層体の好ましい形態は、以下の式(2)で表わされる、1000Hzにおける透過損失の差分が、2db以上である。
(式2):
複合材料積層体の全体透過損失(B)-複合材料積層体に用いる金属基材の透過損失(A)
上記透過損失の差分が2db以上であると、優れた制振効果及び吸音効果が期待できる。200~5000Hzの吸音性能は、発泡体層の有する気泡構造内部が空気振動を吸収することにより発現されることが主な要因である。そのため、発泡体層の透過損失が占める割合が大きいほど吸音効果が大きくなる。
前記発泡体層の弾性率が、20~200MPaであり、
以下の式(I):
発泡体層の一方の面には金属基材が、他方の面には樹脂溶融層という2つの密な層がそれぞれ発泡体層に配置されている。そのため、このような2つの密な層に発泡体層が囲まれた二重壁構造を有すると、より優れた制振性、耐衝撃性及び吸音効果が発揮される。
前記金属基材と前記接着層との界面のせん断破断強度(S)が1.0MPa以上であり、前記界面のせん断破断強度(S)を、前記発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)が0.007以上0.5以下である複合材料積層体である。
特定の樹脂(特に、ポリアミド樹脂)を主成分とする発泡体層を有し、かつ接着層として発泡体層の一部が溶融した発泡体溶融層を用いることにより、制振性及び耐衝撃性についてより優れた効果を発揮するだけでなく、80℃における制振性と衝撃試験エネルギー吸収にも優れた効果を発揮する。
なお、主成分とは、発泡体層の総量(100質量%)に対して50質量%超を占める成分をいう。
発泡体層、金属基材、接着層及び複合材料積層体に関する物性の測定及び評価は、次の方法に基づいて行った。
(1)発泡体層の曲げ弾性率
発泡体層の曲げ弾性率は、JIS K7171(2008)に従って実施した。真空乾燥処理を40℃、24時間以上行った後、発泡体層(1)~(4)の試験片(試験片寸法;長さ300mm、幅40mm、厚さ20mm)を作製した。曲げ強度測定は、島津製作所製 オートグラフ(AG-5000D)型を用いて行い、厚さ方向に荷重を掛けることで曲げ弾性率(MPa)を計測した。
発泡体層、金属基材、接着層、樹脂溶融層層及び複合材料積層体の厚さと、平均厚み(L1)(発泡体層を140℃の雰囲気下で30分間静置した後の発泡体層の平均厚み(μm)と、平均厚み(L0)(発泡体層を140℃の雰囲気下で30分間静置する前の発泡体層の平均厚み(μm))とは、以下の方法を用いて測定した。
発泡体層、金属基材、接着層、樹脂溶融層及び複合材料積層体をそれぞれ、表面に対して垂直方向に切断し、得られた断面をマイクロスコープ(VHX-2000 キーエンス株式会社)により撮影した画像を、発泡成型体の断面をマイクロスコープVHX-2000付随の解析ソフトの測長機能により解析して、10点平均値から平均厚み(L0及びL1)及び各層の厚さを算出した。
また、断面図の画像上で発泡粒子の断面形状を観察して、独立気泡の有無によって樹脂溶融層層と発泡体層との境界を特定する。
なお、発泡体層の加熱寸法安定性の測定では、測長機器(ノギス)により発泡体層を6回測定した結果の数平均値としてもよい。
後述の各実施例の複合材料積層体1及び比較例の各積層体から切り出して、金属基材4と接着層3の接着面が図4のようになるように試験片を作製し、接着面積を測定する。この際、発泡体層2の断面積は接着面積よりも十分に大きい面積となるように任意のサイズに調整する。
図4の試験片の両側をチャックで固定し、島津製作所製 オートグラフ(AG-5000D)型を用いて行い、接着面にせん断荷重を掛けることにより、金属基材4と接着層3との界面のせん断破断強度(S)を計測した。
後述の各実施例の複合材料積層体1及び比較例の各積層体の作製方法に記載の通り、図5の左図に記載の金属基材4/発泡体層2の複合試験片(長さ100mm)を作製した。その後、以下の手順(図6参照)及び条件下で衝撃試験装置を用いてSSカーブを取得した。また、図5の右図は、前記複合試験片(長さ100mm)の断面図であって、金属基材4の寸法を表示している。図6は、衝撃圧縮試験の手順を表す概略図であり、図6(a)は複合試験片(長さ100mm)の断面図であり、図6(b)は上部にロードセル8が取り付けられた上下にφ200mmの衝撃圧縮試験の治具9を用いて、衝撃圧縮を測定する様子の概略図である。より詳細には、図6(b)は、複合試験片にかかる荷重を治具9への反発力としてロードセル8で検出することにより測定する測定系である。
すなわち、図6(b)に示す通り、上下にφ200mmの衝撃圧縮治具9を、衝撃時の速度は2~6m/sとなるように試験高さを調整し、落錘荷重を29.4kgとして衝撃圧縮試験を実施した。また、変位、荷重曲線を取得し、衝撃圧縮試験を行った。
衝撃圧縮試験は、IMATEK社製(英国) IM10T-30型において測定を実施した。さらには、金属基材4と、発泡体(層)2との剥離状態を衝撃試験と同期した高速CCDカメラ(HX-5 ナックイメージテクノロジー社製 500万画素)で撮影し、変位状態に対応する、試験片の剥離状態を以下の基準において確認した。
剥離状態の判断基準:
3%圧縮時に剥離が起きなかったもの △
5%圧縮で剥離が起きなかったもの 〇
10%圧縮で剥離が起きなかったもの ◎
加熱寸法安定性(%)は、JIS K6767に従って実施した。具体的には、後述の方法で作製した発泡体層(1)~(4)を用いて、140℃雰囲気下のオーブン中に30分間放置する前と後における発泡体層(1)~(4)の平均厚み(L0及びL1)を上記(2)の方法を用いて測定し、以下の式(1)により加熱寸法安定性を算出した。
発泡体層に使用される第1樹脂が非晶性樹脂の場合、軟化点Tgの測定を、JIS K7121に準じて、示差走査熱量計(商品名:DSC7、パーキンエルマー社製)を用いて行った。基材樹脂ペレット8mgを精秤し、これを測定に用いた。測定条件は、窒素雰囲気下、温度条件:30℃で3分間保持、その後、昇温速度:10℃/分で30℃から280℃まで昇温後に3分保持し、次いで降温速度:10℃/分で30℃まで降温後に3分保持し、次いで、昇温速度:10℃/分で30℃から280℃まで昇温とした。そして、2回目の加熱時に最も高温側に現れた吸熱を示すピークにおける温度(℃)を、基材樹脂の軟化点Tmとした。
非晶性樹脂等、上記測定で明確なピークが得られない場合は、レオメーター(商品名:Physica MCR301、アントンパール社製)を用いて下記条件にて粘弾性測定を行い、損失正接(tanδ)のピーク温度(℃)を基材樹脂の軟化点Tgとした。
測定治具 :SRF10
測定モード :振動φ、γ
ひずみ :0.015%
周波数 :1Hz
測定温度 :20℃~250℃
昇温速度 :2℃/分
ノーマルフォース:-0.3N
測定点 :160
時間単位 :s
後述の発泡体(層)(1)~(19)から、それぞれ20mm×20mm×20mmの大きさの発泡体片を切り出した。そして、当該切り出した試験片に対して40℃、24時間以上の真空乾燥処理を行った後、島津製作所製 恒温槽付きオートグラフ(AG-5000D)型を用いて、75%圧縮の圧縮強度の測定を行った。この際、各発泡体層2の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)から20℃引いた温度条件に設定した恒温槽中で発泡体層2を10分以上加温した後、発泡体層を5mm/minで15mm圧縮した際の荷重を測定し、75%圧縮の圧縮強度を算出した。
制振性は、JIS G0602に従って実施した。後述で得られた実施例及び比較例の複合材料積層体から試験片を採取し、中央支持定常加振法を用いて損失係数を算出した。具体的には、恒温槽内(20℃及び30℃)において当該試験片の中央にコンタクトチップを取り付け、インピーダンスヘッドを装着した加振器によりコンタクトチップを加振することにより、試験片に曲げ振動を発生させ、50~2000Hzの範囲の周波数応答関数を測定し、各共振点または反共振点で半値幅法により、20℃及び30℃における損失係数を算出した。また、測定した各共振点での損失係数の平均値が0.07以上をSS、0.07未満0.04以上をS、0.04未満0.01以上をA、0.01未満をBとした。
恒温槽内(80℃)にて、上記(9)と同様の条件で高温制振性の測定を実施した。
透過損失は、JISA1441-1に従って実施した。各実施例及び各比較例の複合材料積層体及び冷間圧延鋼板(1)のそれぞれの遮音性は、準備した直径41.5mmの略円柱形のサンプルを、日本音響エンジニアリング社製垂直入射遮音率測定システムWinZacMTX型を用い、1000Hzの透過損失を求めることで遮音性を評価した。音源を発泡体層2側とし、金属面側(金属基板4側)にマイクを置くことで、サンプルを透過する音の減衰量を測定した。
複合材料積層体及び冷間圧延鋼板(1)のそれぞれの遮音性の差から、評価した。
表面外観は、後述の方法で作製した300mm×300mmの試験片(b)の一方の表面を観察し、発泡体表面にうねりがない場合を「優:○」とし、10%以下の面積の発泡体表面がうねっている場合を「良:△」とし、10%以上のうねりがみられた場合を「不良;×」と評価した。
S(%)={(Vx-W/ρ)/(Va-W/ρ)}×100・・・(1)
式中、Vxは、発泡体層の真の容積(cm3)であり、Vaは、発泡体層の見かけの容積(cm3)であり、Wは、発泡体層の重量(g)であり、ρは、発泡体層の基材樹脂(第1樹脂)の密度(g/cm3)である。発泡体の真の容積はピクノメータにより算出される。
なお、実施例で使用した発泡体(層)(1)~(19)の独立気泡率はいずれも33%~97%の範囲内であった。
(14)発泡体溶融層の独立気泡率
複合材料を切断し、断面を研磨した後、接着層の気泡をSEMにより観察した。
断面観察は厚み方向が入るように倍率を調整し、気泡として観測された部分の面積を画像解析により特定し、全体に占める面積比率から算出した。
なお、実施例12~14及び実施例17~24の発泡体溶融層の独立気泡率は、約3%~20%程度であった。
(15)高速面衝撃試験
面衝撃吸収エネルギーは、JISK7221-2に従って実施した。各実施例及び各比較例の複合材料積層体及び冷間圧延鋼板(1)のそれぞれの最大衝撃力点での衝撃吸収エネルギーを、高速衝撃試験機(島津製作所 HYDRO SHOT HITS-PA10)により測定(ストライカー径 20mmφ 受け径 40mmφ 試験速度4.4mm)した。
複合材料積層体及び冷間圧延鋼板(1)のそれぞれの衝撃吸収エネルギーI、I0を測定し、I/I0で表される衝撃吸収エネルギーの比が1~1.05をB、1.05~1.1をA、1.1~1.2をS、1.2以上をSSとした。
表面粗度(Rz)測定は、ダイナミックフォース型の走査型プローブ顕微鏡「SPM-9600(株式会社 島津製作所製)」を使用して測定した。表面粗度(Rz)は、日本工業規格(JIS B 0601:2001,ISO 4287:1997)に規定される最大高さに準拠した。
(17)引張破断測定
JISK6767 120×10×10t N=3 ダンベル状1号形の発泡体片を切り出し、5mm/min速度で島津製作所製 オートグラフ(AG-5000D)型測定を行った。
実施例及び比較例で用いた各材料は下記の通りである。
「発泡体層」
(発泡体(層)(1)の作製)
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク0.8質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、200℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド発泡粒子の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(1a)は、中実の球状の断面形状の4.0倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は2.2mmであり、独立気泡の平均径は0.15mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク0.8質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、異形押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、200℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド予備発泡粒子(2a)の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(2a)は、3.8倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は2.2mmであり、独立気泡の平均径は0.18mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)50質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)50質量%を、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
樹脂の混合比率を、ポリスチレン系樹脂56質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂44質量%とし、難燃剤としてのトリフェニルホスフェートを樹脂100質量部に対して10質量部用いたこと以外は上記発泡体層(3)の作製と同様方法にして発泡体(層)(4)を得た。
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク0.8質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、異形押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、210℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド予備発泡粒子(5a)の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(5a)は、4.5倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は2.3mmであり、独立気泡の平均径は0.19mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク0.3質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、200℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド発泡粒子の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(6a)は、中実の球状の断面形状の4.0倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は2.2mmであり、独立気泡の平均径は0.25mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
上記発泡体(層)(1)で使用したポリアミド予備発泡粒子(1a)を通水性の不織布の袋に入れ、50℃に加温された恒温水槽に30分浸漬したのち、含水したポリアミド予備発泡粒子(1b)を得た。このポリアミド予備発泡粒子(b)の含水率は12%、表面付着水率は7.0%で平均粒子径(D1)は2.3mm、独立気泡の平均径(D2)は0.15mmであった。
発泡体(層)(1)で使用したポリアミド予備発泡粒子(1a)を通水性の不織布の袋に入れ、50℃に加温された恒温水槽に30分浸漬したのち、含水したポリアミド予備発泡粒子(1b)を得た。このポリアミド予備発泡粒子(1b)の含水率は12%、表面付着水率は7.0%で平均粒子径(D1)は2.3mm、独立気泡の平均径(D2)は0.15mmであった。
発泡体(層)(9)として、エペランPP(カネカ製 15倍)を使用した。
発泡体(層)(10)として、エペランPP(カネカ製 30倍)を使用した。
発泡体(層)(11)として、エスレンビーズ(積水化成品工業 10倍)を使用した。
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク3.0質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、190℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド発泡粒子の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(12a)は、中実の球状の断面形状の2.4倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は1.8mmであり、独立気泡の平均径は0.12mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
ポリアミド6/66樹脂(2430A、(株)DSM製、20℃における表面張力46mN/m、表中「PA6/66」と表記する)(タルク3.0質量%含有)を、押出し機を用いて溶融し、押し出しダイから吐出させたストランドを水中下でペレタイズし、平均粒子径1.4mmのペレットを得た。このペレットの融点は193℃であった。得られたペレットを10℃の圧力釜に投入し、4MPaの炭酸ガスを吹き込み12時間吸収させた。次いで炭酸ガス含浸ペレットを発泡装置に移し、190℃の空気を20秒間吹き込み、ポリアミド発泡粒子の集合体を得た。得られたポリアミド予備発泡粒子(13a)は、中実の球状の断面形状の5.0倍の発泡倍率を有し、平均粒子径は2.5mmであり、独立気泡の平均径は0.19mmであり、含水率は1.5%、表面付着水は0%であった。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)60質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)40質量%を、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)60質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)40質量%を、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)60質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)40質量%を、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)60質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)40質量%を、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)56質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)44質量%とし、難燃剤としてのトリフェニルホスフェートを樹脂100質量部に対して10質量部用い、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
ポリスチレン系樹脂(商品名「GP685」、PSジャパン株式会社製)56質量%、ポリフェニレンエーテル系樹脂(商品名「S201A」、旭化成ケミカルズ株式会社製)44質量%とし、難燃剤としてのトリフェニルホスフェートを樹脂100質量部に対して10質量部用い、押出機にて加熱溶融混練した後に押出し、混合物を調製した。
「金属基材」
冷間圧延鋼板(1):SPCC(厚さ:0.8mm) JISG3141
金属基材(1):アルミニウム A6061 厚さ1mm 表面粗度(Rz)<0.2μm
金属基材(2):アルミニウム A6061 厚さ1mm 表面処理済(特開2011-156764号記載の方法を準用) 表面粗度(Rz)=3.5μm
(接着層(1))
接着層(1)を形成するために、下記の接着剤組成物(1)の組成を用いて、接着剤組成物(1)を調製した。当該接着剤組成物(1)の調製方法は、以下の成分を配合し、撹拌脱泡機HM-400WV(共立精機株式会社製)で2分間減圧攪拌脱泡し、目的の接着剤組成物(1)を調製した。
接着剤:ビスフェノールA型液状エポキシ樹脂(商品名「DER331」、Olin Corporation社製) 100質量部
エポキシ系硬化剤:マイクロカプセル型硬化剤(旭化成社製のビスフェノールA型液状エポキシ樹脂(商品名「HX-3088」)2質量部と、イミダゾール誘導体をエポキシ樹脂などの反応物で被覆した潜在性硬化剤1質量部との混合物)30質量部
ジシアンジアミド系硬化剤:ジシアンジアミド(商品名「ダイハード 100SH」、AlzChem社製)8質量部
イミダゾ-ル系硬化剤:エポキシ-イミダゾールアダクト系硬化剤(商品名「PN-23」、味の素ファインテクノ社製)0質量部
添加剤(1):酸化カルシウム(商品名「QC-X」、井上石灰社製)5質量部
添加剤(2):表面処理された酸化カルシウム(商品名「CML-31」、近江化学社製)5質量部
添加剤(3):ポリジメチルシロキサン処理されたヒュームドシリカ(商品名「TS-720」、キャボットジャパン社製)のポリジメチルシロキサン処理されたヒュームドシリカ8質量部
添加剤(4):炭酸カルシウム(商品名「NN#500」、日東粉化工業社製)6質量部
添加剤(5):ホウ酸エステル化合物(商品名「L-07N」、四国化成社製)38質量部
添加剤(6):脂肪族モノグリシジルエーテル(商品名「ED-502S」、ADEKA社製)3質量部
接着層(2)を形成するために、下記の接着剤組成物(2)の組成を用いて、接着剤組成物(2)を調製した。当該接着剤組成物(2)の調製方法は、上記接着剤組成物(1)と同様に、以下の成分を配合し、撹拌脱泡機HM-400WV(共立精機株式会社製)で2分間減圧攪拌脱泡し、目的の接着剤組成物(2)を調製した。
接着剤組成物(2)の組成:
接着剤組成物(2)として、エポキシ系接着剤A(SikaPower-1200:Sika Schweiz AG)及びアミン系樹脂B(SikaPower-1200:Sika Schweiz AG)を使用した。
当該接着剤組成物(2)の組成は、以下の通りである。
接着剤:エポキシ系樹脂A 100質量部
硬化剤:アミン系樹脂B 54質量部
表中おいて接着剤組成物(3)とあるものについては、発泡体層表面に接着剤組成物(3)として、瞬間接着剤用プライマーであるTB1797E(スリーボンド1797E(アミン系化合物):スリーボンド社製))を塗布し、乾燥させた後にスリーボンド1741(スリーボンド社製)を用いて接着を行ったものである。
上記で得られた各材料を配合し、攪拌脱泡することで得られた接着剤組成物(1)を、塗布厚さ0.1mmに塗布し、以下の手順により複合材料積層体(1)を製造した。
300mm×300mm×0.8mmの冷間圧延鋼板(1)上に接着剤組成物(1)を目的厚みの塗布厚さとなるよう塗布し、目的となる接着層厚みと同じ寸法の直径を持つガラスビーズを複数個撒き、その上に300mm×300mm発泡体層(1)を静置した。
発泡体層は表に記載の厚みになるように切削加工した。
さらに発泡体層(1)上に荷重分散用の平板及び重りを乗せ、表1に記載の所定の温度、時間で処理することで接着剤組成物(1)を硬化させた。またこの際、縁からはみ出た接着剤組成物はかきとった。そして、冷間圧延鋼板(1)-接着層(1)-発泡体層(1)の構成の複合材料積層体を作製した。得られた複合材料積層体を以下のサイズに加工して、耐衝撃試験、透過損失試験及び制振性試験を行った。当該試験結果を表1に示す。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
透過損失試験 直径41.5mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
以下の表1-1及び表1-2に示す層構成になるよう、上記実施例1と同様の手順により、実施例2~11の複合材料積層体を作製した。また、得られた複合材料積層体を実施例1と同一のサイズに加工して、耐衝撃試験、透過損失試験及び制振性試験を行った。当該試験結果を表1-1及び表1-2に示す。
上記で得られた発泡体(層)(1)18mmを、特開2015-112827号公報に開示されるような、通常のプレス機構に加えて、加熱および冷却機構を備え、加圧圧縮前に効率よく発泡体を予備加熱できるようなヒートアンドクール金型機構を備えた装置を使用して、3mm圧縮成型することにより、15mm厚みの発泡成型体(1)を作製した。
なお、前記装置の圧縮機構としては、油圧シリンダー式又はサーボモーター式のものを用いた。あらかじめ、加熱機構をもつ金型に上記発泡体(層)(1)をセットし、当該発泡体(層)(1)が上金型及び下金型と接触した状態で加熱した。この際、意匠面を形成する側である上金型の温度を210℃とし、意匠面を形成しない側である下金型の温度は100℃とした。加熱時間は30秒とした。
加熱後、サーボモーター式の圧縮機構により、上金型を1mm圧縮し、4秒保持する圧縮サイクルを10回行い、40秒かけて10mm圧縮した。
圧縮開始と同時に冷却を開始し、40秒後金型温度が100℃になったところで、金型を開き、表面溶融層を備えた発泡(層)(1)(表面意匠化された発泡成型体)を取り出した。
上記で得られた発泡体層(4)を用いて、実施例と同様の手順により比較例の積層体(1)を製造した。上記実施例1~11及び比較例1の実験結果を、以下の表1-1及び表1-2に示す。
<試験片(1)>
以下、図7を用いて、実施例12で作製した複合材料積層体(発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との複合体)について説明する。
発泡体層2として、上記で作製した発泡体(層)(1)を100mm×25.5mm×26mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(2):アルミニウム A6061製 特許公報JP4270444の手法で表面処理を実施済)を準備した。そして、図7(b)に示すように、切り出した発泡体層2の表面から約5cm離れた位置で赤外線ヒーター式加熱機10「メトロ電気工業製 ハンディ加熱器 HK-2028W(200V 2800W)」を用いて、金属基材4との接着面を1分間加熱した(図7(b)参照、3方向からの赤外線ヒーター式加熱機10による加熱)。次いで、図7(c)に示すように、前記金属基材4(金属基材(2))の凹部を拡開させた状態で、加熱した発泡体層2に押し当て、図7(c)に記載の断面凹型の形状の複合成形金型11にて0.5mm圧縮した状態を維持して、1cm2あたり、30kgの荷重をかけた後、3分間冷却し、発泡体層2と発泡体溶融層と金属基材4との複合材料積層体を作製した。
上記で得られた発泡体層2と発泡体溶融層と金属基材4との複合材料積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、界面のせん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2-1及び表2-2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、実施例12で作製した複合材料積層体は、11%で発泡体層と金属基材とが剥離した。
また、耐衝撃試験(複合材料積層体の耐衝撃性(衝撃エネルギー吸収比))及び制振性試験(複合材料積層体の制振性)を行うために、以下の方法により複合材料積層体を別途作製した。
発泡体(層)(1)を300mm×300mm×25.5mmに切りだした。そして、切り出した発泡体層(1)の表面から約5cm離れた位置で赤外線ヒーター式加熱機「メトロ電気工業製 ハンディ加熱器 HK-2028W(200V 2800W)」を用いて、金属基材との接着面(片面)を1分間加熱した。次いで、300mm×300mm×1mmの金属基材(金属基材(2):アルミニウム A6061製 特許公報JP4270444の手法で表面処理を実施済)を発泡体層(1)に押し当て、0.5mm圧縮した状態を維持して1cm2あたり、30kgの荷重をかけた後、3分間冷却し、発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との複合材料積層体を作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について耐衝撃試験(複合材料積層体の耐衝撃性(衝撃エネルギー吸収比))及び制振性試験を行った。
使用する発泡体層の材料を表3に示す組成に変えた以外は上記実施例12と同様の方法で実施例13及び実施例14の複合材料積層体(発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との複合体)を作製した。そして、表2-1及び表2-2に示す評価を行った。
<試験片(1)の作製>
以下、図7の一部(図7(a),(c))を準用して、実施例15で作製した複合材料積層体について説明する。
発泡体層2として、上記で作製した発泡体(層)(9)を100mm×25mm×25mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(1):アルミニウム A6061製 表面処理を未実施)を準備した。次いで、接着剤組成物(3)のプライマーを発泡体層(9)に塗布した。
そして、前記金属基材4の表面上に接着剤組成物(3)を目的厚みの塗布厚さとなるよう塗布し、目的となる接着層3の厚みと同じ寸法の直径を持つガラスビーズを前記接着剤組成物(3)の塗布面に複数個撒き、発泡体層(9)上に図7(c)に示す形状の複合成形金型11内にて30kgの荷重をかけた状態で、表1に記載の所定の温度、時間(23℃、24時間)で処理することにより接着剤組成物(3)を硬化させた。またこの際、縁からはみ出た接着剤組成物(3)をかきとった。そして、金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(9)の構成の複合材料積層体を作製した。得られた金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(9)の構成の複合材料積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、せん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2-1及び表2-2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、実施例15で作製した複合材料積層体は12%で剥離した。
また、耐衝撃試験及び制振性試験を行うために、以下の方法により別途複合材料積層体を作製した。
発泡体(層)(9)を300mm×300mm×25.5mmに切りだした。そして、300mm×300mm×1mmの金属基材(金属基材(1):アルミニウム A6061製 表面処理を未実施)を準備した。次いで、接着剤組成物(3)のプライマーを発泡体層(9)に塗布した。
その後、前記300mm×300mm×1mmの金属基材の表面上に接着剤組成物(3)を目的厚みの塗布厚さとなるよう塗布し、目的となる接着層3の厚みと同じ寸法の直径を持つガラスビーズを前記接着剤組成物(3)の塗布面に複数個撒き、発泡体層(9)上に成形金型内にて30kgの荷重をかけた状態で、表1に記載の所定の温度、時間(23℃、24時間)で処理することにより接着剤組成物(3)を硬化させた。またこの際、縁からはみ出た接着剤組成物(3)をかきとった。そして、金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(9)の構成の複合材料積層体を作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について耐衝撃試験及び制振性試験を行った。
<試験片(1)の作製>
以下、図7の一部(図7(a),(c))を準用して、実施例16で作製した複合材料積層体について説明する。
発泡体層2として、上記で作製した発泡体(層)(10)を100mm×25mm×25mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(1):アルミニウム A6061製 表面処理を未実施)を準備した。次いで、接着剤組成物(3)のプライマーを発泡体層(10)に塗布した。
前記金属基材4の表面上に接着剤組成物(3)を目的厚みの塗布厚さとなるよう塗布し、目的となる接着層厚みと同じ寸法の直径を持つガラスビーズを前記接着剤組成物(3)の塗布面に複数個撒き、発泡体層2上に図7(c)に示す形状の複合成形金型11内にて30kgの荷重をかけ、表1に記載の所定の温度、時間(23℃、24時間)で処理することにより接着剤組成物(3)を硬化させた。またこの際、縁からはみ出た接着剤組成物(3)をかきとった。そして、金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(10)の構成の複合材料積層体を作製した。
得られた金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(10)の構成の複合材料積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、せん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2-1及び表2-2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、実施例16で作製した複合材料積層体は12%で剥離した。
また、耐衝撃試験及び制振性試験を行うために、以下の方法により別途複合材料積層体を作製した。
発泡体(層)(10)を300mm×300mm×25.5mmに切りだした。そして、300mm×300mm×1mmの金属基材(金属基材(1):アルミニウム A6061製 表面処理を未実施)を準備した。次いで、接着剤組成物(3)のプライマーを発泡体層(10)に塗布した。
その後、前記300mm×300mm×1mmの金属基材の表面上に接着剤組成物(3)を目的厚みの塗布厚さとなるよう塗布し、目的となる接着層3の厚みと同じ寸法の直径を持つガラスビーズを前記接着剤組成物(3)の塗布面に複数個撒き、発泡体層(10)上に成形金型内にて30kgの荷重をかけた状態で、表1に記載の所定の温度、時間(23℃、24時間)で処理することにより接着剤組成物(3)を硬化させた。またこの際、縁からはみ出た接着剤組成物(3)をかきとった。そして、金属基材(1)-接着層(3)-発泡体層(10)の構成の複合材料積層体を作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm× 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について、表2に記載の耐衝撃試験及び制振性試験を行った。
使用する発泡体層2の材料を表2に示す組成に変えた以外は上記実施例12と同様の方法で実施例17~実施例24の複合材料積層体(発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との複合体)を作製した。そして、表2に示す評価を行った。
<試験片(1)の作製>
以下、図7を用いて、比較例2で作製した積層体について説明する。
発泡体層2として、上記で作製した発泡体層(1)を100mm×25.5m×26mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(1):アルミニウム A6061製 表面未処理)を準備した。そして、発泡体層(1)の表面から約5cm離れた位置でメトロ電気工業製 ハンディ加熱器 HK-2028W(200V 2800W)を用いて、金属基材4との接着面を1分間加熱した(図7(b)参照、3方向から赤外線加熱)。次いで、前記金属基材4(A6061製 表面未処理)の凹部を拡開させた状態で加熱した発泡体層2に押し当て、図7(c)に示す形状の複合成形金型11にて0.5mm圧縮した状態を維持し、1cm2あたり、30kgの荷重をかけた後、3分間冷却して、発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との積層体を作製した。得られた発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、界面のせん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、比較例2で作製した積層体は、3%以下で発泡体層と金属基材とが剥離した。
また、耐衝撃試験及び制振性試験を行うために、金属基材のサイズを300mm×300mm×1mmとし、発泡体層(1)のサイズを300mm×300mm×25.5mmに切りだした以外は、上記の比較例2の試験片(1)の作製方法と同様にして、耐衝撃試験及び制振性試験に使用する試験片(2)を別途作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について耐衝撃試験及び制振性試験を行った。
<試験片(1)の作製>
以下、図7の一部(図7(a),(c))を準用して、比較例3で作製した積層体について説明する。
発泡体層2として、発泡体層2として、発泡体(層)(9)を100mm×25.5m×26mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(1):A6061製 特許公報JP4270444の手法で表面処理を実施済)を準備した。そして、発泡体層(1)の表面から約5cm離れた位置でメトロ電気工業製 ハンディ加熱器 HK-2028W(200V 2800W)を用いて、金属基材4との接着面を30秒間加熱した(図7(b)参照、3方向から赤外線加熱)。次いで、前記金属基材4(A6061製 特許公報JP4270444の手法で表面処理を実施済)の凹部を拡開させた状態で加熱した発泡体層2に押し当て、図7(c)に示す形状の複合成形金型11にて0.5mm圧縮した状態を維持し、1cm2あたり、30kgの荷重をかけた後、3分間冷却して、発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との積層体を作製した。得られた発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、界面のせん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、比較例3で作製した積層体は、3%以下で発泡体層と金属基材とが剥離した。
また、耐衝撃試験及び制振性試験を行うために、金属基材のサイズを300mm×300mm×1mmとし、発泡体層(9)のサイズを300mm×300mm×25.5mmに切りだした以外は、上記の比較例3の試験片(1)の作製方法と同様にして、耐衝撃試験及び制振性試験に使用する試験片(2)を別途作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について耐衝撃試験及び制振性試験を行った。
<試験片(1)の作製>
以下、図7を用いて、比較例2で作製した積層体について説明する。
発泡体層2として、上記で作製した発泡体層(15)を100mm×25.5m×26mmに切り出した。また、図7(a)に示す寸法の金属基材4(金属基材(2):アルミニウム A6061製 特許公報JP4270444の手法で表面処理を実施済)を準備した。
そして、発泡体層2の表面から約5cm離れた位置でメトロ電気工業製 ハンディ加熱器 HK-2028W(200V 2800W)を用いて、金属基材4との接着面を1分間加熱した(図7(b)参照、3方向から赤外線加熱)。次いで前記金属基材4の凹部を拡開させた状態で加熱した発泡体層2に押し当て、図7(c)に示す形状の複合成形金型11にて0.5mm圧縮した状態を維持して、1cm2あたり、30kgの荷重をかけ、3分間冷却して、発泡体層と発泡体溶融層と金属基材との積層体を作製した。得られた積層体から図4又は図5左図の形状の試験片(1)を切り出して、界面のせん断破断強度及び衝撃圧縮試験などの表2-1及び表2-2に示す評価を行った。なお、上記(4)衝撃圧縮試験の結果、比較例4で作製した積層体は、3%以下で発泡体層と金属基材とが剥離した。
また、耐衝撃試験及び制振性試験を行うために、金属基材のサイズを300mm×300mm×1mmとし、発泡体層(15)のサイズを300mm×300mm×25.5mmに切りだした以外は、上記の比較例4の試験片(1)の作製方法と同様にして、耐衝撃試験及び制振性試験に使用する試験片(2)を別途作製した。
耐衝撃試験 60mm×60mmに切削加工した。
制振性試験 長さ約285mm × 幅約20mmに切削加工した。
上記切削加工した試験片(2)について耐衝撃試験及び制振性試験を行った。
本実施形態の複合材料積層体の用途例としては、軽量性と意匠性が求められる自動車、電車、汽車などの車両および航空機などの部材が挙げられ、特に内装材として、部品を被覆するカバー等に好適に使用できる。
本開示の複合材料積層体は、その特徴を生かし、高温条件下で使用される断熱材や自動車部材、例えば、オイルパン、エンジンカバーやシリンダーヘッドカバー、その他カバー形状の部品、インテークマニホールド及びその集積部品、車体構造体、ダクト類、電装品ケース、電池ケース等に好適に用いることができる。
2 発泡体層
3 接着層
4 金属基材
5 樹脂溶融層
6 開口部
7 閉塞された空孔
8 ロードセル
9 衝撃圧縮試験の治具(φ200mm)
10 赤外線ヒーター式加熱機
11 複合成形金型
Claims (9)
- 金属基材と、前記金属基材の表面に形成される接着層と、前記接着層の表面に形成される発泡体層とを有し、
前記金属基材と前記接着層との界面のせん断破断強度(S)が1.0MPa以上であり、前記界面のせん断破断強度(S)を、前記発泡体層の曲げ弾性率(F)で除した(S/F)が0.007以上0.5以下である、複合材料積層体。 - 前記発泡体層の融点(Tm)又はガラス転移温度(Tg)から20℃除した温度における75%圧縮の圧縮強度が、0.3MPa以上である、請求項1に記載の複合材料積層体。
- 前記発泡体層は、前記発泡体層の総量(100質量%)に対して、金属化合物を合計0.5~10質量%含有する、請求項1又は2に記載の複合材料積層体。
- 室温(23℃)での中央加振法を用いた測定における50~2000Hzの損失係数が、0.05以上であり、かつ、80℃での中央加振法を用いた測定における損失係数が、50~2000Hzの範囲内で室温時の損失係数の1.2倍以上となる、請求項1~3のいずれか1項に記載の複合材料積層体。
- 前記発泡体層の曲げ弾性率が、20~2000MPaである、請求項1~4のいずれか1項に記載の複合材料積層体。
- 前記発泡体層の引張破断測定時の伸びが、10%以上である、請求項1~5のいずれか1項に記載の複合材料積層体。
- 平均直径1mm以上3mm以下の開口部が、前記発泡体層の表面に設けられている、請求項1~7のいずれか1項に記載の複合材料積層体。
- 以下の式(2)で表わされる、1000Hzにおける透過損失の差分が、2db以上である、請求項1~8のいずれか1項に記載の複合材料積層体。
(式2):
複合材料積層体の全体透過損失(B)-複合材料積層体に用いる金属基材の透過損失(A)
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