JP2016107548A - スタンパブル基材及びその製造方法、並びにスタンピング成形品 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化したスタンパブル基材であって、
前記不連続繊維マットは、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満であることを特徴とするスタンパブル基材。
(2) 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、前記繊維Aの重量割合が30〜90重量%である(1)に記載のスタンパブル基材。
(3) 不連続繊維マットに、さらに熱可塑性樹脂繊維が含まれる(1)または(2)に記載のスタンパブル基材。
(4) 前記繊維Aおよび繊維Bが炭素繊維である(1)〜(3)のいずれかに記載のスタンパブル基材。
(5) スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
繊維長が6〜50mmの不連続繊維束を開繊手段により開繊、配向させて不連続炭素繊維マット前駆体を得る工程、
前記不連続炭素繊維マット前駆体を5〜100MPaの圧力で圧搾して、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを形成する圧搾工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、
を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。
(6) スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
予め、繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束を混合し、開繊手段により開繊・配向させて、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを得る不連続繊維マット形成工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。
(7) 前記繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束をそれぞれ予備開繊させた後、前記開繊手段に適用させることを特徴とする(6)に記載のスタンパブル基材の製造方法。
(8) 前記不連続繊維マットを、5〜100MPaの圧力で圧搾する圧搾工程をさらに含むことを特徴とする、(6)または(7)のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
(9) 前記開繊手段が、カーディング法またはエアレイド法である(5)〜(8)のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
(10) 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、繊維Aの重量割合が30〜90重量%である(5)〜(9)のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
(11) 前記不連続繊維束に熱可塑性樹脂繊維を添加した繊維集合体を前記開繊手段により開繊・配向させることを特徴とする(5)〜(10)のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
(12) (1)〜(4)のいずれかに記載のスタンパブル基材、または(5)〜(11)のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法により製造されたスタンパブル基材を用いてスタンピング成形したことを特徴とするスタンピング成形品。
不連続炭素繊維シートから100mm×100mmのサンプルを切り出し、その後、サンプルを550℃に加熱した電気炉の中で1時間程度加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った不連続炭素繊維シートからマット、繊維束形態を崩さないように、ピンセットで不連続炭素繊維シートを約1g抽出した。
図3に示す装置を用いて、以下の手順で流動性試験を行った。
1)スタンパブル基材を寸法100mm×100mm×2mmとなるように切り出し、2枚重ねて炭素繊維複合材料21とした。
2)ヒーター22で炭素繊維複合材料21を所定の温度で予熱した。
3)所定温度に昇温したプレス盤23に配置し、所定圧力・所定時間加圧した。
4)得られた成形品24の表面積(mm2)と、プレス前の炭素繊維複合材料21の表面積A1(mm2)を測定し、A2/A1×100を流動率(%)とした。
A)マトリックス樹脂がナイロン(Ny)の場合:
ナイロンをマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料21の場合、ヒーター22で基材中心温度(二枚重ねた間の温度)が260℃となるように予熱後、150℃に昇温したプレス盤23に配し、10MPaで30秒間加圧した。
B)マトリックス樹脂がポリプロピレン(PP)の場合:
ポリプロピレンをマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料21の場合、ヒーター22で基材中心温度を220℃となるように予熱後、120℃に昇温したプレス盤23に配し、10MPaで30秒間加圧した。
C)マトリックス樹脂がポリフェニレンスルフィド樹脂(PPS)の場合:
ポリフェニレンスルフィド樹脂をマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料21の場合、ヒーター22で基材中心温度を320℃となるように予熱後、150℃に昇温したプレス盤23に配し、10MPaで30秒間加圧した。
スタンパブル基材から約2gのサンプルを切り出し、その質量を測定した。その後、サンプルを500℃に加熱した電気炉の中で1時間加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却してから、残った炭素繊維の質量を測定した。炭素繊維の質量に対する、マトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばす前のサンプルの質量に対する比率を測定し、炭素繊維の含有率(%)を算出した。
炭素繊維1:繊維径7μm、引張弾性率230GPaでフィラメント数が12000本の連続した炭素繊維束に対し、水系サイジング剤を炭素繊維束に1.0重量%付着させ炭素繊維1を得た。
炭素繊維2:フィラメント数を3000本とした以外は炭素繊維1と同様とした。
炭素繊維3:フィラメント数を48000本とした以外は炭素繊維1と同様とした。
次に不連続繊維マットについて説明する。
炭素繊維1を繊維長10mmにカットし、カットした炭素繊維1とナイロン6短繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長51mm、捲縮数12山/25mm、捲縮率15%)を質量比で80:20の割合で混合して繊維集合体を生成し、その繊維集合体をカーディング装置に投入した。出てきたウェブをクロスラップし、炭素繊維とナイロン6繊維とからなる目付100g/cm2のシート状の炭素繊維シートを形成した。得られた炭素繊維シートをプレス機に設置し、20MPaの圧力で5秒間加圧し不連続繊維マット1を得た。
不連続繊維マット1の巻取り方向を0°とし、不連続繊維マット1を12枚、(0°/90°/0°/90°/0°/90°)sとなるように積層し、さらに積層した不連続繊維マット1中の炭素繊維とマトリックス樹脂の重量比が40:60となるようにナイロン樹脂メルトブロー不織布(「CM1001」、相対粘度(ηr)=2.3、東レ(株)製)を積層した後に、全体をステンレス板で挟み、240℃で90s間予熱後、2.0MPaの圧力をかけながら180s間、240℃にてホットプレスした。ついで、加圧状態で50℃まで冷却し、厚さ2mmのスタンパブルシートを得た。得られたスタンパブルシートの流動率(%)、流動性判断(○:実使用上問題ないレベル、×:実使用上問題があるレベル)、曲げ強度を(表2)に示す。
不連続繊維マット2〜4を使用した以外は実施例1と同様とした。
不連続繊維マット5を使用した以外は実施例2と同様とした。繊維Aを構成する繊維長が50mm以下でも、繊維Bの繊維長が10mm以上の場合流動率が大幅に低下し180%であった。このことから繊維(B)の繊維長が短いことがシートの流動性に大きく寄与していることがわかる。
不連続繊維マット6および7を使用した以外は実施例1と同様とした。繊維Bを構成する短い繊維は、あらかじめ短く切断したチョップド繊維を使用しても、プレス機で不連続繊維マットを圧搾するのと同等の効果が得られることがわかる。
不連続繊維マット8を使用した以外は実施例1と同様とした。比較例3は繊維Aおよび繊維Bを構成する繊維を全て5mmとした。繊維長が短く繊維の交絡が少ないため流動率は非常に良好であるが、繊維Aの繊維長が短いため曲げ強度への影響が大きく好ましくない。
不連続繊維マット9、10を使用した以外は実施例2と同様とした。チョップド繊維用の連続繊維のフィラメント数を3000本および48000本としたが、流動率、曲げ強度ともに実施例2とほぼ同等と良好な結果であった。
不連続繊維マット11を使用した以外は実施例1と同様とした。繊維長は5mmと短いが高度に繊維が分散しているため、曲げ強度は480MPaと非常に高いが、繊維の交絡が多く流動率は105%と殆ど流動しない結果であった。
不連続マット12および含浸させた熱可塑性マトリックス樹脂にポリプロピレンを使用した以外は実施例2と同様とした。熱可塑性マトリックス樹脂をPP(ポリプロピレン)としたが、曲げ強度も十分に発現し、流動率も良好な結果であった。
不連続繊維マット13を使用した以外は実施例8が繊維Aを構成する繊維長が50mm以下でも、繊維Bの繊維長が10mm以上の場合流動率が大幅に低下し160%であった。このことから繊維Bの繊維長が短いことがシートの流動性に寄与していることがわかる。
不連続マット14および含浸させた熱可塑性マトリックス樹脂にPPS(ポリフェニレンスルフィド)を使用した以外は実施例1と同様とした。樹脂をPPSとしたが、流動率、曲げ強度ともに良好な結果であった。
不連続繊維マット15を使用した以外は実施例9と同様とした。繊維Aを構成する繊維長が50mm以下でも、繊維Bの繊維長が10mm以上の場合流動率が大幅に低下し170%であった。このことから繊維Bの繊維長が短いことがシートの流動性に寄与していることがわかる。
2 シリンダーロール
3 テイクインロール
4 ドッファーロール
5 ワーカーロール
6 ストリッパーロール
7 フィードロール
8 ベルトコンベアー
9 不連続な炭素繊維
10 シート状のウェブ
11 エアレイド装置
12 ドラム
13 ピンシリンダー
14 ワイヤ
15 サクションボックス
21 炭素繊維複合材料
22 ヒーター
23 プレス盤
24 流動試験後成形品
Claims (12)
- 不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化したスタンパブル基材であって、
前記不連続繊維マットは、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満であることを特徴とするスタンパブル基材。 - 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、前記繊維Aの重量割合が30〜90重量%である請求項1に記載のスタンパブル基材。
- 不連続繊維マットに、さらに熱可塑性樹脂繊維が含まれる請求項1または2に記載のスタンパブル基材。
- 前記繊維Aおよび繊維Bが炭素繊維である請求項1〜3のいずれかに記載のスタンパブル基材。
- スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
繊維長が6〜50mmの不連続繊維束を開繊手段により開繊、配向させて不連続炭素繊維マット前駆体を得る工程、
前記不連続炭素繊維マット前駆体を5〜100MPaの圧力で圧搾して、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを形成する圧搾工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、
を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。 - スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
予め、繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束を混合し、開繊手段により開繊・配向させて、100本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Aと、100本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Bとを含み、前記繊維Aの数平均繊維長が6〜50mm、前記繊維Bの数平均繊維長が1〜10mmであり、前記繊維Bの数平均繊維長が前記繊維Aの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを得る不連続繊維マット形成工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。 - 前記繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束をそれぞれ予備開繊させた後、前記開繊手段に適用させることを特徴とする請求項6に記載のスタンパブル基材の製造方法。
- 前記不連続繊維マットを、5〜100MPaの圧力で圧搾する圧搾工程をさらに含むことを特徴とする、請求項6または7のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
- 前記開繊手段が、カーディング法またはエアレイド法である請求項5〜8のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
- 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、繊維Aの重量割合が30〜90重量%である請求項5〜9のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
- 前記不連続繊維束に熱可塑性樹脂繊維を添加した繊維集合体を前記開繊手段により開繊・配向させることを特徴とする請求項5〜10のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のスタンパブル基材、または請求項5〜11のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法により製造されたスタンパブル基材を用いてスタンピング成形したことを特徴とするスタンピング成形品。
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