WO2022260186A1

WO2022260186A1 - プレス用積層体及びプレス済積層体

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Publication number: WO2022260186A1
Application number: PCT/JP2022/033896
Authority: WO
Inventors: 友明済藤; 祥史首藤
Original assignee: 株式会社The MOT Company
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2022-12-15
Also published as: JP7144881B1; CN117355414A; JP2023045645A

Abstract

製造コストを抑えつつ、高い精度で、かつ短時間で金属－繊維強化樹脂の複合成型品を製造するためのプレス用積層体、及び前記プレス用積層体をプレス成型して得られるプレス済み積層体。　第一繊維強化樹脂プリプレグ層と、前記第一繊維強化樹脂プリプレグの上に配置された樹脂発泡体層と、前記樹脂発泡体層の上に配置され、金属パンチングにより構成される金属層と、前記金属層の上に配置され、第二繊維強化樹脂プリプレグ層とを含むプレス用積層体。

Description

プレス用積層体及びプレス済積層体

　本発明は、プレス用積層体及びプレス済積層体に関する。

　炭素繊維等を用いる繊維強化樹脂は、高い強度と軽さを併せ持つ材料のため、様々な用途に使用されている。例えば、自動車分野では、鋼鉄に代わる新材料として期待されている。しかし、繊維強化樹脂は、現時点で鋼鉄等に比べ高価格であるため、製品の価格を抑えようとする場合は、繊維強化樹脂を多く用いることが難しい。そこで、鋼鉄等の金属と、繊維強化樹脂との複合体を用いることにより、材料の軽量化を実現しながらも、価格を抑えることができる。

　金属と繊維強化樹脂との複合材料としては、例えば、特許文献１の実施例のように、ハニカム材を打ち抜き加工により所望の形状のハニカム構造体を作成し、そのハニカム構造体に繊維強化樹脂複合材料を接着させ、加熱硬化させた積層体などが挙げられるが、ハニカム材は高コストで、また積層体を作るためにハニカム材を加工してから繊維強化樹脂複合材料を接着し加熱硬化させるため、短時間で製造できず、製造コストがかかってしまうという問題がある。
　また、いわゆるプレス成型において、金属－繊維強化樹脂複合体を製造するために、金属板と繊維強化樹脂プリプレグ板とを一気にプレスしてしまうと、金属と繊維強化樹脂との柔軟性及び熱膨張率の違いから、金属と繊維強化樹脂との間で寸法差ができてしまい、きれいに貼り合わせることが難しく、完成度の高い成型品を提供することはできない。

特開２０２１－１１２８４９号公報

　そこで、本発明は、製造コストを抑えつつ、軽量でかつ、成型精度が高いプレス用積層体を提供することを目的とする。

　本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、金属層として、金属パンチングを用い、金属層と繊維強化樹脂プリプレグ層の間に樹脂発泡体層を配置したプレス用積層体を用いることにより、製造コストを抑えつつ、高い精度でプレス成型できることを見出した。すなわち、本発明は、以下を包含する。
［１］　第一繊維強化樹脂プリプレグ層と、
　前記第一繊維強化樹脂プリプレグの上に配置された樹脂発泡体層と、
前記樹脂発泡体層の上に配置され、金属パンチングにより構成される金属層と、
　前記金属層の上に配置され、第二繊維強化樹脂プリプレグ層とを含むプレス用積層体。
［２］　前記金属層が、アルミニウム、ステンレス、銅、鉄、鋼鉄、真鍮、ニッケル及びチタンから選択される一種である、［１］に記載のプレス用積層体。
［３］　前記第一繊維強化樹脂プレプレグ層及び前記第二繊維強化樹脂プリプレグ層を構成する樹脂が、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、又はウレタン樹脂を少なくとも一種含む、［１］に記載のプレス用積層体。
［４］　前記樹脂発泡体層は、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリメタクリルイミド樹脂、及びアクリル系樹脂から選択される樹脂を含む、［１］に記載のプレス用積層体。
［５］　［１］に記載の前記プレス用積層体をプレス成型して得られる、プレス済積層体。
［６］　第一繊維強化樹脂層と、
　前記第一繊維強化樹脂層の上に配置されている金属－樹脂複合層と、
　前記金属－樹脂複合層の上に配置されている第二繊維強化樹脂層とを備え、
　前記金属は、金属パンチングにより構成されている、プレス済積層体。

　本発明のプレス用積層体を用いることにより、プレス方法により、製造コストを抑えつつ、高い精度で、かつ短時間で軽量なプレス済積層体を製造することができる。
　本発明のプレス用積層体の金属層は、非常に軽量な金属パンチングにより構成される金属層から構成されており、非常に軽量であり、強度がある。また、その金属層は、樹脂発泡体とともに、繊維強化樹脂プリプレグに挟み込まれており、加熱プレスにより、樹脂発泡体及び強度の高い繊維強化樹脂が一体化されたプレス済積層体を得ることができる。
　プレス済積層体は、プレス時に金属層の少なくとも一部が樹脂発泡体に潜りこむため、金属層と繊維強化樹脂の凸凹との接触が減少し、接着性が高まる。また、金属パンチングは伸びやすく、樹脂発泡体は弾力性があるため、プレス成型で所望の形状に成型しやすい。また、本発明のプレス用積層体は、伸びやすい金属パンチングを用いるため、一般的にはプレス加工の際、金属板では角の部分がしわになりやすいにもかかわらず、本発明ではしわの発生が少ないプレス済積層体を得ることができる。

図１の上図は、実施例のプレス用積層体１３の模式図である。プレス用積層体１３は、第一炭素繊維強化樹脂プリプレグ１、接着シート２（薄いシートであるため、符号のみ記載）、ウレタン樹脂発泡体３、アルミニウムメッシュ板４，接着シート２、及び第二炭素繊維強化樹脂プリプレグ５を積層したものである。図１の下図はプレス用積層体１４の材料を積層した後、加熱、加圧し製造されたプレス用積層体１４である。ウレタン樹脂発泡体３とアルミニウムメッシュ板４とは、プレスにより複合化され、金属－ウレタン樹脂複合層６を形成している。プレス用積層体１４では、炭素繊維強化プリプレグ１，５は、繊維強化樹脂層となっている。図２は、配列６０°千鳥を示す図である。図３は、本発明に係るプレス済積層体を製造するための製造装置の全体構成を説明する模式図である。図４Ａは、本発明に係るプレス済積層体の製造工程を説明する模式図である。図４Ｂは、本発明に係るプレス済積層体の製造工程を説明する図４Ａに続く模式図である。

　［プレス用積層体］
　本明細書において、プレス用積層体とは、プリプレグから構成される第一繊維強化樹脂プリプレグ層と、樹脂発泡体層と、金属パンチングにより構成される金属層と、プリプレグから構成される第二繊維強化樹脂プリプレグ層との積層体である。樹脂発泡体層と、金属層と、プリプレグ層とは、接着されている。プレス用積層体を加熱及び加圧することにより、これらの層が一体化され、プレス済積層体を得る。

　金属層を構成する金属とは、本発明のプレス成型で成型できる材料であれば特に限定されるものではなく、アルミニウム、ステンレス、銅、鉄、鋼鉄、真鍮、ニッケル及びチタン等の種々の金属を用いることができる。
　金属層の厚さは限定されるものではないが、プレス成型により所望の形状に容易に形成するため、０．０５～５ｍｍ程度が好ましく、０．２５ｍｍ～２ｍｍがさらに好ましい。
　金属層は、金属パンチングにより構成される。本明細書では、金属パンチングとは、金属の板をパンチングプレスの金型で穴をあけて加工した材料である。金属パンチングは、所定の金属板を穴をあけて製造するものであり、全体体積に対する金属体積の割合は、使用する用途に応じて適宜変更することができる。

　本明細書では、金属層は、金属メッシュではなく、金属パンチングを用いる。金属メッシュの場合、後述する図３、図４Ａ、図４Ｂのような成形（絞り形状にする成形）は、極めて難しい。通常、下金型の凸部のＲ部分に関して、プリプレグは、折り目が菱形になって賦形できる。金属メッシュを用いた場合は、プリプレグと同様にメッシュも菱形形状にならないと、均一な絞り形状ができない。すなわち、プリプレグとメッシュの両方を同時に賦形できないものである。仮に賦形できるとしたら、メッシュの直径が０．２５ｍｍ以下、かつ網目が５ｍｍ以上である。しかしこのような金属メッシュでは積層体の強度を高めることが難しい。
　一方、金属パンチングは、絞り形状のとき、金属の延展性が発揮されて、プリプレグが菱形になると同時に、金属の丸い穴が楕円形になり、プリプレグの賦形に追従することができる。強度を高める場合には、金属層の厚さ、穴の直径も適宜選択することができ、様々な用途に適用が可能である。
　さらに、本発明の積層体は、金属層を入れることによって成形時間が短縮される。すなわち、アルミなどの金属は熱伝導が良いので、加熱硬化するときに接着シートの加熱を助けるため、短時間で接着強度をさらに高め、冷却の時は放熱が良いのでプレス後の成形体の冷却を助ける。例えば、発泡体厚さ１０ｍｍに対して金属パンチング０．３ｍｍを積層すると成形時間２０秒短縮されることを確認している。

　金属パンチングの孔は特に限定されるものではないが、絞り成形の場合、凸金型の角部分が通常曲率半径を設けているが、その曲率半径ＲがＲ３～Ｒ２５（距離半径が３ｍｍ～２５ｍｍ）の場合は、孔直径１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、ピッチＰ２以上、配列６０°千鳥であれば絞り形状に対応できる。参考までに図２に配列６０°千鳥を示す。図２中、Ｄが孔直径であり、Ｐがピッチである。Ｐ２というのは、ピッチの長さが、２ｍｍであることを示す。このような条件のときに、絞り形状であっても、金属層及びプリプレグは積層体の状態で同時に成形可能になる。なお、パンチングの開孔率は、１０％～５０％が好ましい。

　また、第一繊維強化樹脂プリプレグ層、第二繊維強化樹脂プリプレグ層のいずれをも構成するプリプレグとは、ガラスクロス、炭素繊維のような繊維状補強材に樹脂を均等に含浸させ、加熱又は乾燥して半硬化状態にしたシート状の中間素材であれば特に限定されるものではなく、織物プリプレグ、一方向プリプレグ等を用いることが出来る。

　プリプレグを構成する樹脂についても、特に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及びそれらの一種を含む樹脂組成物を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂等が挙げられ、これらは組み合わせて使用することができる。熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、塩化ビニール樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数混合して用いてもよい。

　プリプレグを構成する繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等を用いることができる。繊維強化樹脂プレプレグ中の繊維基材としては、０．０３ｍｍ～０．５ｍｍの厚さの炭素繊維材が好ましいが、それに限定されるものではない。また、プリプレグを構成する炭素繊維はポリアクリルニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維とピッチを原料とするピッチ系炭素繊維等を用いることが出来る。プリプレグ層を構成するプリプレグ中の炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましいが、それに限定されるものではない。また、プリプレグを構成する繊維には、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ　Ｍｏｌｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ＦＲＤ（Ｆｉｒｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ＧＭＴ（Ｇｌａｓｓ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）などの複合体も包含されるものとする。
　炭素繊維は、繊維が織り込まれていることが好ましい。

　プリプレグ層を構成するプリプレグとしては、エポキシ樹脂と炭素繊維とから構成されている織物プリプレグが好ましいが、それに限定されるものではない。なお、第一繊維強化樹脂プリプレグ層、第二繊維強化樹脂プリプレグ層は、同一のものであってもよいし、異なるものであってもよい。また、第一繊維強化樹脂プリプレグ層、第二繊維強化樹脂プリプレグ層は、それぞれ一枚のプリプレグで構成されてもよいし、同種又は異種の複数枚のプレプレグで構成されていてもよい。
　第一繊維強化樹脂プリプレグ層、第二繊維強化樹脂プリプレグ層は、独立に縦３００～２０００ｍｍ×横３００～２０００ｍｍの矩形のプリプレグを用いることが好ましい。

　樹脂発泡体層を構成する樹脂発泡体についても、特に限定されるものではなく、樹脂を発泡成形したものを用いることが出来る。発泡体であるため、軽い上に、断熱性が極めて高いため、自動車の用途として用いることができる。樹脂発泡体の樹脂としては、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリメタクリルイミド樹脂、及びアクリル系樹脂等の樹脂が挙げられる。なかでも、ポリウレタン樹脂が弾性、積層時に金属層が樹脂の中にもぐりこみやすいという観点で好ましい。ポリウレタン樹脂は、強度の面で他の樹脂にやや劣る場合があるが、サンドウィッチにするプリプレグは極めて高い強度を有するため、積層体としては非常に強度が高いものである。
　その他、さらに強度を上げる場合は、ポリフェニレンエーテル樹脂が好ましく、例えば、旭化成株式会社製サンフォース（登録商標）などが挙げられる。
　樹脂発泡体は、平板状で０．７～１０．０ｍｍの厚さが好ましいが、それに限定されるものではない。

　プレス用積層体を構成する樹脂発泡体層と、繊維強化樹脂プリプレグ層とは、樹脂発泡体とプリプレグとを接着させるための接着シートを用いて接着させる。接着シートとは、シート状の接着シートであってもよい。接着シートの接着成分の材料としては、エポキシ、アクリル、ウレタン等が挙げられる。接着シートの配置方法としては、樹脂発泡体との接着前に、繊維強化樹脂プリプレグ上に配置すればよい。なお、接着シートの代わりに液体状の接着剤を用いてもよい。

［プレス済積層体］
　本発明のプレス済積層体は、第一繊維強化樹脂プリプレグ層と、前記第一繊維強化樹脂プリプレグ層に接着した樹脂発泡体層と、前記樹脂発泡体層上に配置された金属パンチングにより構成される金属層と、前記金属層及び前記金属層の穴部より露出した前記発泡体層に接着した第二繊維強化樹脂プリプレグ層を含むプレス用積層体を加熱及び加圧により製造したものである。
　具体的には、第一繊維強化樹脂層と、前記第一繊維強化樹脂層の上に配置されている金属－樹脂複合層と、前記金属－樹脂複合層の上に配置されている第二繊維強化樹脂層とを備え、前記金属は、金属パンチングから構成されている、プレス済積層体である。
　プレス済積層体において、加熱及び加圧により、金属層は樹脂層と一体化された金属－樹脂複合層となり、金属－樹脂複合層を繊維強化樹脂層でサンドウィッチされている。なお、プリプレグは、加圧及び加熱し、その後、冷却され、繊維強化樹脂層を形成している。このような構成のプレス済積層体は、強度の高い金属層を強度の高い繊維強化樹脂でサンドウィッチされているため、非常に強度が高く、また軽量な材料であり、従来から使用されているアルミニウムとアラミド繊維ハニカムの複合材料の代替品として利用できる。
　プレス済積層体は板状に形成されてもよいが、プレス用積層体をプレス成型することにおり、所定の形状を有するプレス済積層体を形成することができる。

［プレス成型］
　本発明においてプレス成型は、上金型と下金型とを用いて、両金型に挟み込まれることによって行われる。上金型及び下金型は、成型品を形成するために、所定の形状を有することができる。例えば、上金型及び下金型のプレス面に、いずれか一方には凸部、もう一方には凸部に対応する（前記凸部が入り込むことができる）凹部を設けることができる。このようにすることにより、プレス用積層体は、凸部と凹部とに挟まれることになるため、プレス済積層体は、立体的な形状を有することができる。

　本発明のプレス用積層体の製造においてプレス加工温度は通常１００～３５０℃である。プリプレグの樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、１２０～１６０℃にすることができ、プリプレグの樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、２３０～３５０℃にすることができる。

　プレス済積層体成型のプレス加工の圧力についても、特に限定されるものではなく、通常０．１～１５ＭＰａである。

　このようにして得られるプレス済積層体は、用途・形状に応じて、繊維強化樹脂を成型させたものであり、自動車部品、オートバイ、自転車、クルマ椅子、航空機部品、空飛ぶクルマ部品、ヘリコプター、鉄道車両部品、船舶部品、バッテリーケース、燃料電池ケース、蓄電池ケース、建築材料、家具（机、タンス）部品などに使用することができる。

　次に本発明を、実施例を用いて詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではなく、当業者に周知された範囲で適宜設計変更等することが可能である。

［プレス用積層体１３の製造］
　まず、炭素繊維強化樹脂プリプレグ１及び５をウレタン樹脂発泡体３に接着させるために、炭素繊維強化プリプレグ１及び５の表面上に接着シート２を配置した。実施例では接着シート２として、エポキシ樹脂を含む接着シートを用いた。炭素繊維強化樹脂プリプレグ１及び５は、エポキシ樹脂と炭素繊維とから構成されているものを用いた。
　接着シート２を備えた炭素繊維強化樹脂プリプレグ１上に、ウレタン樹脂発泡体３を配置した。次に、ウレタン樹脂発泡体３の上にアルミニウムメッシュ板４を配置した。アルミニウムメッシュ板４の上に、接着シート２を備える炭素繊維強化樹脂プリプレグ５を配置した。接着シート２がアルミニウムメッシュ板４と接するように配置し、配置の微調整を行い、軽く手の力で押し付けて、接着シート２により接着させ、プレス用積層体１３を得た（図１を参考）。なお、軽く押し付けたとき、アルミニウムメッシュ板４の穴部よりウレタン樹脂発泡体３が通り抜け、アルミニウムメッシュ板４の一部がウレタン樹脂発泡体３の中にもぐりこんだ。

［プレス用積層体の成型］
　プレス機を用いるプレス方法について説明する。まず、図４Ａの（ａ）のように、矩形上に貫通している孔を有するしわ取り板９の上にプレス用積層体１３を載置する。そして、第二金型８００の内部又は外部に備えられている加熱ヒーター（図示しない）により、プレス用積層体１３を加熱する。

　プレス用積層体１３を１３０℃で加熱したら、第一金型７００（上金型）に接するまで、昇降部１１により第二金型８００及びそれに備えているしわ取り板９を上昇させる。（図４Ａの（ｂ）参照）。

　第一金型７００にプレス用積層体１３が接した後、コア８を有する第二金型８００がさらに上昇する。この時伸縮部分１０が縮むことによりしわ取り板９はその位置を維持し、第二金型８００（コア８）のみがさらに上昇し、プレス用積層体１４をキャビティ７とコア８の間に引き込み、プレス用積層体１４を変形させながら、さらに上昇する（図４Ａの（ｃ）参照）。

　コア８が第一金型７００のキャビティ７の中に入り込み、プレス用積層体１４を加圧した状態で、所定の位置で第二金型８００の上昇を停止する。上昇を停止した位置で、引き続き加熱を行い、所望の形状になるように、加圧、加熱を継続する。第二金型８００の停止した状態の時間は、１０秒から１時間の範囲である（図４Ｂの（ｄ）参照）。

　必要な加圧、加熱を実施した後、加熱を停止し、所定の温度まで冷却した後、第二金型８００を降下させ、プレス成型されたプレス済積層体１４を得た（図４Ｂの（ｅ）参照）。

　　　１・・・炭素繊維強化樹脂プリプレグ
　　　２・・・接着シート
　　　３・・・ウレタン樹脂発泡体
　　　４・・・アルミニウムメッシュ板
　　　５・・・炭素繊維強化樹脂プリプレグ
　　　６・・・アルミニウムメッシュ板－ウレタン樹脂発泡体複合層（金属－樹脂複合層）
　　　７・・・キャビティ
　　　８・・・コア
　　　９・・・しわ取り板
　　　１０・・・伸縮部材
　　　１１・・・昇降部
　　　７００・・・第一の金型
　　　８００・・・第二の金型
　　　１３・・・プレス用積層体
　　　１４・・・プレス済積層体

Claims

　第一繊維強化樹脂プリプレグ層と、
　前記第一繊維強化樹脂プリプレグの上に配置された樹脂発泡体層と、
前記樹脂発泡体層の上に配置され、金属パンチングにより構成され、加熱プレスによるしわの発生を抑制する金属層と、
　前記金属層の上に配置され、第二繊維強化樹脂プリプレグ層とを含み、
　前記金属パンチングの孔が、直径１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、ピッチ２ｍｍ以上、配列６０°千鳥であり、前記金属パンチングの開口率が１０～５０％であり、前記金属層の厚さが０．０５～５ｍｍである、加熱プレス用積層体。
　前記金属層が、アルミニウム、ステンレス、銅、鉄、鋼鉄、真鍮、ニッケル及びチタンから選択される一種である、請求項１に記載の加熱プレス用積層体。
　前記第一繊維強化樹脂プレプレグ層及び前記第二繊維強化樹脂プリプレグ層を構成する樹脂が、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、又はウレタン樹脂を少なくとも一種含む、請求項１に記載の加熱プレス用積層体。
　前記樹脂発泡体層は、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリメタクリルイミド樹脂、及びアクリル系樹脂から選択される樹脂を含む、請求項１に記載の加熱プレス用積層体。
　請求項１に記載の前記加熱プレス用積層体を加熱プレス成型して得られる、加熱プレス済積層体。
　第一繊維強化樹脂層と、
　前記第一繊維強化樹脂層の上に配置され、金属層と、樹脂発泡体とからなる金属－樹脂発泡体複合層と、
　前記金属－樹脂発泡体複合層の上に配置されている第二繊維強化樹脂層とを備え、
　前記金属－樹脂発泡体複合層の金属層は、金属パンチングにより構成され、加熱プレスによるしわの発生を抑制し、
　前記金属パンチングの孔が直径１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、ピッチ２ｍｍ以上、配列６０°千鳥であり、前記金属パンチングの開口率が１０～５０％であり、前記金属層の厚さが０．０５～５ｍｍである、加熱プレス済積層体。