JP2008246981A - 繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より一層簡便で且つ安価な方法によって良好なＳＭＣ成形品の表面平滑性を得ることにある。
【解決手段】炭素繊維に不飽和ポリエステル樹脂を含浸してシート状のＣＦＲＰ基材（プリプレグ）を形成しておく。続いて、ＣＦＲＰ層の間に、樹脂が未含浸の不織布を介装してプリプレグ積層体を形成し、成形型によって前記プリプレグ積層体に対し所定の加圧力を付与して加圧成形することにより、ＳＭＣ成形品が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ＦＲＰ等の繊維強化複合材料の製造方法に関する。

従来から、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）成形材料をプレス成形することにより、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形品を製造する方法が知られている。

このＦＲＰ成形品では、収縮するマトリックス樹脂と、収縮しない強化繊維及び炭酸カルシウム等の無機粒子とが混在することにより、ＦＲＰ成形品の表面に凹凸が発生する場合がある。

例えば、自動車の外装部品等のように優れた外観品質が要求されるＦＲＰ成形品においては、このＦＲＰ成形品の表面に発生する凹凸を平滑化するための種々の平滑化手段がなされている。一般的には、プレス成形の前処理として、プレス成形時に予め外観性能を必要とする成形型の表面側にゲルコート塗装等を施す方法、外観性能を必要とする中間成形体の表面側にインモールドコート処理を施す方法、成形後に発生した表面凹凸を、例えば、サンドペーパー等の研磨手段によって平滑化する方法等が挙げられる。

また、ＦＲＰ成形品の表面を平滑化する方法として、例えば、特許文献１には、エポキシ樹脂組成物において、予め無機粒子をエポキシ樹脂の一部に分散させる繊維強化複合材料用樹脂組成物の製造方法が開示されている。特許文献２には、強化繊維として長さが略１インチのものと、長さが略１／２インチのものとの２種類の長さの強化繊維を混入させて表面平滑化を図る方法が開示されている。
特開平１１−３５７９４号公報（段落０００８〜００１０） 特開２００５−２２８８号公報（段落００１０〜００１２）

ＳＭＣ成形品で表面平滑性を得る方法として、前記特許文献１では、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂の組成を改良することにより、成形収縮量を減少させる方法が採用され、前記特許文献２では、強化繊維そのものの形態を改良することにより、表面凹凸量を減少させる方法が採用されている。

しかしながら、前記特許文献１及び前記特許文献２に開示された技術的思想では、マトリックス樹脂又は強化繊維を改変するためにその成形工程が煩雑となる。また、産業界では、前記特許文献１及び前記特許文献２に開示された表面平滑化の方法よりも、より一層簡便で且つ安価な方法によってＳＭＣ成形品の表面平滑性を向上させることが希求されている。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、より一層簡便で且つ安価な方法によって良好なＳＭＣ成形品の表面平滑性を得ることが可能な繊維強化複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、先ず、強化繊維材料に樹脂を含浸してシート状のプリプレグを形成しておく。続いて、複数の前記プリプレグを積層し成形型によって成形する際、プリプレグ層の間に、樹脂が未含浸の基材を介装してプリプレグ積層体を形成し、前記プリプレグ積層体に加圧力を付与して加圧成形する。さらに、前記加圧成形されたプリプレグ積層体に対して樹脂を含浸させた後、前記樹脂を硬化させることにより、成形品が得られる。

ここで、前記「プリプレグ」とは、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ビニロン繊維等を１／２インチから４インチに切断し、チョップ状にして得たマット形態の基材、又は不織布もしくは繊維を一方向に揃えたもの（繊維補強材）に対し、各種の熱硬化性樹脂（マトリックス樹脂）を含浸させた未硬化状態のシート体をいう。

前記マトリックス樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。

また、本発明において、プリプレグ層の間に介装される未含浸の基材としては、樹脂が含浸されていないものであればよく、例えば、不織布又は織物のいずれであってもよい。

前記不織布とは、例えば、マット、不織布、ペーパー等の織物以外のものをいう。

本発明によれば、プリプレグ層の間に樹脂が未含浸の基材を介装し、得られた成形品の厚さ方向を、前記樹脂が未含浸の基材によって細分化（分割化）することにより、厚さ方向における樹脂の収縮を抑制することができる。

さらに、本発明によれば、積層されたプリプレグの両面（積層面）を未含浸の基材で挟持することにより、樹脂の流動性に起因する強化繊維のうねりが抑制され、成形品の表面に凹凸が発生することを抑制して表面平滑化を図ることができる。

このように本発明では、プリプレグ層の間に、樹脂が未含浸の基材を介装することにより、前記未含浸の基材によってプリプレグ層に含有する樹脂の収縮による窪みを抑制すると共に、樹脂の塑性流動による強化繊維のうねりを抑制することができる。この結果、本発明によれば、成形品の表面に窪みが発生することが抑制されて、平滑化された良好な外観品質を有する成形品を得ることができる。

本発明では、プリプレグ層の間に、樹脂が未含浸の基材を介装するという、より一層簡便で且つ安価な方法によって、表面平滑性を有する良好なＳＭＣ成形品を得ることができるという効果を奏する。

本発明では、「強化繊維材料」として、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用いられる。これらの繊維を２種以上混合して用いてもよい。また、強化繊維の形態及び配列については、特に限定されない。なお、軽量化を図り且つ耐久性を向上させるためには、特に炭素繊維の使用が好ましい。

また、本発明のプリプレグの製造方法として、例えば、熱硬化性樹脂に対しては、マトリックス樹脂を溶媒に溶解して低粘度化して含浸させるウェット法、また、熱可塑性樹脂に対しては、加熱により低粘度化して含浸させるホットメルト法等が挙げられる。

さらに、本発明のプリプレグ積層体を成形する方法としては、例えば、成形型を用いたプレス成形が挙げられるが、真空バッグ成形、真空バッグを用いたオートクレーブ成形等を適用してもよい。

また、本発明において、プリプレグ層の間に介装される未含浸の基材としては、樹脂が含浸されていないものであればよく、例えば、不織布又は織物のいずれであってもよく、さらに、ガラス繊維、カーボン繊維等、その他、樹脂が未含浸のどのような素材であってもよい。

本実施例では、図１に示すように、ＳＭＣ成形材料に対して加圧力を付与するパンチが設けられた上型と、前記ＳＭＣ成形材料を載置（敷設）するキャビティ及びリブを成形するためのリブ成形用凹部が形成された下型とから構成されたプレス成形型を準備し、前記パンチによって前記ＳＭＣ成形材料に対して所定の加圧力を付与して、ＳＭＣ成形品が得られた。

このＳＭＣ成形材料は、炭素繊維を１インチのチョップ状にして得られたマット基材に不飽和ポリエステル樹脂を含浸させて未硬化状態のシート体からなるＣＦＲＰ基材（プリプレグ）と、前記不飽和ポリエステル樹脂等の樹脂を一切含浸しない（未含浸）の不織布とを交互に積層して積層体を形成した。この場合、ＣＦＲＰ基材は、未硬化状態であるため、不織布は、前記ＣＦＲＰ基材よりも硬質である。

具体的には、炭素繊維を１インチのチョップ状にして得られたマット基材に不飽和ポリエステル樹脂を含浸させたシート体からなる３枚のＣＦＲＰ基材と、前記不飽和ポリエステル樹脂等の何ら樹脂が含浸されていない３枚の不織布とを準備し、先ず、リブ成形用凹部が形成されたキャビティ底壁の最下層に第１のＣＦＲＰ基材を敷設し、前記第１のＣＦＲＰ基材の上面に第１の不織布を積層し、続いて、前記第１の不織布の上面に第２のＣＦＲＰ基材を敷設し、前記第２のＣＦＲＰ基材の上面に第２の不織布を積層し、さらに、前記第２の不織布の上面に第３のＣＦＲＰ基材を敷設し、前記第３のＣＦＲＰ基材の上面に第３の不織布を順次積層して積層体を構成した。

このようにして、第２及び第３のＣＦＲＰ基材の上下両面をドライの第１〜第３の不織布でそれぞれ挟み込むことによって、第１〜第３のＣＦＲＰ基材及び第１〜第３の不織布によって構成されたプリプレグ積層体を形成した。なお、上記のような方法によって第１〜第３のＣＦＲＰ基材及び第１〜第３の不織布が順次重畳された積層体を予め構成した後、下型のキャビティ内に移載してもよい。

図２（ａ）は、本実施例によって成形された前記ＳＭＣ成形材料に対してパンチによって加圧力が付与された後のＳＭＣ成形品の部分拡大縦断面図であり、図２（ｂ）は、本実施例によって成形された前記ＳＭＣ成形品の表面（積層体の最上面）の面粗度を示す特性図である。なお、前記面粗度の測定は、ＪＩＳ規格 Ｂ−０６０１に基づいて行った。

図２（ａ）中において略水平方向に沿って延在している白色部分は、プレス成形によって樹脂が含浸された不織布をそれぞれ示している。本実施例では、ＳＭＣ成形品の厚さ方向（鉛直方向）を、樹脂が未含浸の不織布によって細分化（分割化）することにより、厚さ方向における樹脂の収縮を抑制することができた。

換言すると、本実施例では、プリプレグであるＣＦＲＰ基材の厚さ方向を、樹脂が未含浸で前記ＣＦＲＰ基材よりも硬質からなる不織布によって挟持することにより、ＳＭＣ成形品の厚さ方向に連続する樹脂リッチ部をなくすことができ、ＳＭＣ成形品の表面側（積層体の最上面）の樹脂収縮に起因する窪み（凹部）の発生を抑制して表面平滑化を達成することができた。この結果、本実施例では、外観品質が良好なＳＭＣ成形品を得ることができた。

さらに、プリプレグ積層体に対して上方側から加圧力が付与された際、前記加圧力の作用下にＣＦＲＰ基材に含有された炭素繊維が塑性流動によってうねりながら賦形することが想定されるが、本実施例では、プリプレグであるＣＦＲＰ基材の上下両面を不織布で挟持することにより、流動性に起因する前記炭素繊維のうねりが抑制され、ＳＭＣ成形品の表面側に前記炭素繊維のうねりに起因する表面の凹凸の発生を抑制して表面平滑化を達成することができた。

この点については、図２（ａ）中に黒色部分で示される樹脂層（ＣＦＲＰ基材層）が略水平状に延在していると共に、図２（ｂ）に示される特性曲線において、測定長さに沿って面粗度の上下方向の振れが小さくなっていることから諒解される。

換言すると、本実施例では、樹脂が未含浸でＣＦＲＰ基材よりも硬質からなる不織布によって前記ＣＦＲＰ基材の上下両面を挟み込むことにより、塑性流動に起因するうねりが前記不織布によって好適に緩衝されるため、ＳＭＣ成形品の表面側に前記うねりが到達することがなく、窪みの発生が阻止される。

さらに、ＳＭＣ成形品に対して高剛性を付与するためにリブ成形用凹部を下型に形成した場合であっても、本実施例では、樹脂が未含浸でＣＦＲＰ基材よりも硬質からなる不織布によって前記ＣＦＲＰ基材の上下両面を挟み込むことにより、塑性流動した成形材料がリブ成形用凹部に流入してＳＭＣ成形品の表面に窪みが発生することを抑制することができた（図３参照）。

図３に示すように、ＣＦＲＰ基材の上面に設けられた不織布が、いわゆる重石のような働きをすることにより、リブ成形用凹部の上方に対応する部分の成形材料のみが部分的にリブ成形用凹部内に流入することが抑制され、前記リブ成形用凹部に近接する略水平方向部分の成形材料の塑性流動が促進される。この結果、本実施の形態では、ＣＦＲＰ基材の上面に窪みが形成されることがなく、ＳＭＣ成形品の裏面側に複数のリブを好適に形成することができた。

さらにまた、本実施例では、ＣＦＲＰ基材中における炭素繊維のＶｆ（繊維体積含有率）を２０％に設定しており、前記Ｖｆが低く抑制されたＳＭＣ成形品に好適に適用することができる。なお、従来技術で記載した特許文献１及び特許文献２では、材料組成中における無機物の体積含有率Ｖｆがいずれも４５％以上からなる材料に設定されており、前記Ｖｆを４５％未満に設定した場合、樹脂収縮量が大きくなって成形品の表面平滑化が得られないおそれがある。

［比較例］
次に、図４に示される比較例について説明する。この比較例では、ＳＭＣ成形材料中において、複数のＣＦＲＰ基材の間に不織布が介装されておらず、第１〜第３のＣＦＲＰ基材のみが直接的に順次重畳されてプリプレグ積層体が構成されている点で本実施例と相違している。

図５（ａ）は、比較例によって成形されたＳＭＣ成形材料に対してパンチによって加圧力が付与された後のＳＭＣ成形品の部分拡大縦断面図であり、図５（ｂ）は、比較例によって成形された前記ＳＭＣ成形品の表面の面粗度を示す特性図である。なお、前記面粗度の測定は、ＪＩＳ規格 Ｂ−０６０１に基づいて行った。

比較例では、プリプレグ積層体に対して上方側から加圧力が付与された際、前記加圧力の作用下に、ＣＦＲＰ基材に含有された炭素繊維が塑性流動によってうねりながら賦形されていることが図５（ａ）のＡ部及びＢ部から諒解される。図５（ａ）のＡ部及びＢ部では、他の部分と比較して大きく湾曲してうねった状態にあるからである。

従って、比較例では、ＳＭＣ成形品の厚さ方向（鉛直方向）における樹脂の収縮を抑制することができなかった。この結果、比較例では、ＳＭＣ成形品の厚さ方向に連続する樹脂リッチ部が発生し、ＳＭＣ成形品の表面側（積層体の最上面）の樹脂収縮に起因する窪みが発生した。

また、比較例では、図５（ｂ）に示される特性曲線において、測定長さに沿った面粗度の上下方向の振れが全体的に大きくなっており、特に、図５（ａ）のＡ部及びＢ部に示されるうねりに対応して面粗度が大きく変動し、窪みが形成されていることが諒解される。

さらに、比較例では、ＳＭＣ成形品に対して高剛性を付与するためにリブ成形用凹部を下型に形成した場合、塑性流動した成形材料がリブ成形用凹部に流入してＳＭＣ成形品の表面に窪みが発生した（図６参照）。

本実施例に係り、プレス成形型のキャビティ内にＳＭＣ成形材料であるプリプレグ積層体が載置された状態を示す縦断面図である。 （ａ）は、前記ＳＭＣ成形材料に対して加圧力が付与された後の本実施例に係るＳＭＣ成形品の部分拡大縦断面図、（ｂ）は、本実施例によって成形された前記ＳＭＣ成形品の表面の面粗度を示す特性図である。 本実施例において、前記ＳＭＣ成形材料がリブ成形用凹部内に流動する状態を示す縦断面図である。 比較例に係り、プレス成形型のキャビティ内にＳＭＣ成形材料であるプリプレグ積層体が載置された状態を示す縦断面図である。 （ａ）は、前記ＳＭＣ成形材料に対して加圧力が付与された後の比較例に係るＳＭＣ成形品の部分拡大縦断面図、（ｂ）は、比較例によって成形された前記ＳＭＣ成形品の表面の面粗度を示す特性図である。 比較例において、前記ＳＭＣ成形材料がリブ成形用凹部内に流動する状態を示す縦断面図である。

Claims (3)

1. 繊維強化複合材料の製造方法において、
   強化繊維材料に樹脂を含浸してシート状のプリプレグを形成する工程と、
   複数の前記プリプレグを積層し成形型によって成形する際、プリプレグ層の間に、樹脂が未含浸の基材を介装してプリプレグ積層体を成形する工程と、
   前記プリプレグ積層体に対して樹脂を含浸させた後、前記樹脂を硬化させる工程と、
   を有することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
2. 請求項１記載の繊維強化複合材料の製造方法において、
   前記未含浸の基材は、少なくとも、不織布又は織物のいずれか１つからなることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の方法により製造された繊維強化複合材料。