JP4239570B2 - Manufacturing method of composite material - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器の構造部材として好適に用いることができる、気孔体とＦＲＰ（繊維強化プラスチック）との複合材料を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリウレタンフォーム等の気孔体とＦＲＰからなる複合材料は、軽量、高剛性であることから、自動車、鉄道車両、航空機等の、過酷な環境下で使用される輸送機器の構造部材として注目されている。
【０００３】
たとえば、ポリメタクリルイミド等の硬質フォームをコアとして用い、炭素繊維等の高強度、高弾性率繊維を強化繊維とするＦＲＰでスキン（外皮）を形成してなるサンドイッチ構造の複合材料は、軽量、高剛性であるうえに、繰り返し荷重による構造疲労を生じにくく、新幹線等の高速鉄道車両の外壁構造部材等として有用であるとされている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−７８８７４号公報
ところで、このような、硬質フォームをコアとし、ＦＲＰをスキンとする複合材料を長期にわたって使用していると、コアとスキンとの界面が剥離してくることがある。この剥離は、設計値以上の曲げ応力や剪断応力が加わったような場合や、コアとスキンとの単なる接合不良による場合もあるが、そのような異常がない場合でも起こることがある。その原因は、屋外のように温度変動の激しい環境下で長期間使用していると、コアを構成している硬質フォームの気孔はほとんどが独立気孔であるため、その独立気孔内にとどまっていたガスが徐々に放出され、コアとスキンとの界面に溜まるためではないかと考えられる。著しい場合には、スキンに膨れができたり、外形が変わってしまったりすることもある。そうなると、強度や剛性といった力学的特性のみならず、外観品位も低下してしまう。
【０００５】
また、上述したような複合材料は、たとえば、硬質フォームからなるコアの両面に強化繊維のプリプレグを配し、成形型内で加熱、加圧し、プリプレグの熱硬化性樹脂を硬化させてＦＲＰのスキンを形成するとともにコアと接着することによって製造されるが、このとき、加熱に伴って硬質フォームに含まれているガスの圧力が上昇し、抜け出ようとする。しかるに、ガスが十分に抜けきらない間に熱硬化性樹脂が硬化すると、コアとスキンとの界面にガスが残留し、その残留したガスが使用時の温度変動に伴って膨張、収縮を繰り返し、界面を剥離させるようになる。プリプレグではなく、いわゆる生の強化繊維材料、たとえば織物を用い、コアの両面に織物を配し、成形型に入れ、成形型内を減圧した後、加熱しながら織物に熱硬化性樹脂を含浸、硬化させる方法もあるが、熱硬化性樹脂の硬化のタイミングによっては同様のことが起こる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の方法の上記問題点を解決し、温度変動の大きい屋外等で長期間使用した場合でも、上述したような界面剥離を防止することができ、信頼性の高い複合材料を製造することができる方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、気体含有体積比が０．９以下になるようにあらかじめ脱気処理した気孔体の表面にＦＲＰ層を形成することを特徴とする複合材料の製造方法を提供する。あらかじめ脱気処理した気孔体を用いることで、気孔体に含まれているガスが使用中の温度変動等によって徐々に放出され、ＦＲＰ層との界面に溜まって界面剥離を起こしたり、ＦＲＰ層に膨れが生じたりするのを防止することができる。また、成形中にガスが十分に抜けきらない間にＦＲＰ層が形成されることによって界面に残留するガスが使用時の温度変動等に伴って膨張、収縮を繰り返し、界面を剥離させるといった不都合が防止されるようになる。
【０００８】
気孔体の表面にＦＲＰ層を形成する方法は、いろいろある。たとえば、気孔体の表面に強化繊維材料を配し、それを成形型の上に置き、全体をバギングシートで覆い、バギングシート内を減圧した後、加熱しながら強化繊維材料に樹脂を含浸し、樹脂を硬化ないし固化させてＦＲＰ層の形成と気孔体との接合、一体化を行う、レジン・インジェクション（ＲＩ）法の一種であるレジン・トランスファ・モールディング（ＲＴＭ）法によることができる。この方法は、バキューム・アシスト・レジン・トランスファ・モールディング（ＶａＲＴＭ）法と称されることもある。また、気孔体の表面に強化繊維材料のプリプレグを配し、それを成形型に入れて加熱、加圧成形する金型成形法や、オートクレーブに入れて加熱、加圧成形するオートクレーブ成形法によることができる。
【０００９】
いずれの方法による場合でも、気孔体の全面、両面、片面といったように、気孔体の表面の少なくとも５０％にＦＲＰ層が形成されるようにするのが好ましい。本発明は、気孔体に含まれているガスの逃げ場のない、気孔体の全面にＦＲＰ層を形成し、気孔体をＦＲＰ層で覆い尽くすような場合に特に有用である。
【００１０】
強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維等の高強度、高弾性率繊維を用いることができる。軽量化という観点からは、炭素繊維が最も好ましい。
【００１１】
また、強化繊維材料としては、上述したような強化繊維のストランド、ロービング、テープや、それら強化繊維の織物、不織布、マット等を用いることができる。自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器の構造部材等、特に強度が要求される用途には、連続繊維からなるものであるのが好ましい。また、ＲＴＭ法による場合には、高粘度の樹脂でも十分に含浸できるよう、織物やマットを用いるのが好ましい。
【００１２】
樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。なかでも、エポキシ樹脂は強化繊維や後述する気孔体との接着性に優れており、複合材料の強度を向上させることができるので好ましい。また、フェノール樹脂は、難燃性が特に要求される輸送機器の構造部材や建築用材を製造する場合に適している。なお、気孔体の材質によっては、気孔体が樹脂に含有されている溶媒によって溶ける場合があるので、そのような不都合を生じない気孔体と樹脂との組み合わせを選択するようにする。
【００１３】
気孔体としては、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、アクリルフォーム、ポリイミドフォーム、フェノールフォーム等の硬質フォームを用いることができる。また、用途によっては、ガラスフォーム、セラミックスフォームや、多孔質の人工木材を用いることもできる。これらの気孔体は、球状、多面体状や、不規則な形状の気孔を有する。気孔は独立気孔であってもよく、連続気孔であってもよいが、独立気孔をより多く含むもの、好ましくは５０％以上が独立気孔であるようなものは、力学的物性が高いので、輸送機器の構造部材や建築用材等に向いている。しかも、独立気孔が多いものは気孔内に閉じ込められたガスが長期にわたって徐々に放出され、上述した界面剥離や膨れを起こしやすいことから、本発明は、独立気孔を多く含む気孔体を用いる場合に有用である。輸送機器に供するものにあっては、独立気孔が多く力学的物性に優れる、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、アクリルフォーム、ポリイミドフォーム、フェノールフォームが好ましい。なお、気孔体の表面に脱脂処理、サンディング処理等の化学的、機械的表面処理を施しておくと、表面に形成されるＦＲＰ層との接着性が向上し、より信頼性に優れた複合材料が得られるようになるので好ましい。
【００１４】
気孔体は、また、比重が０．０１〜０．３の範囲内にあるものであるのが好ましい。密度が低いものほど複合材料の軽量化には都合がよいが、低すぎると気孔が多くなり、含まれるガス量も多くなる。これらのバランスを考慮すると、比重が０．０１〜０．３の範囲内にあるものが好ましい。
【００１５】
気孔体の脱気処理は、気孔体を加熱処理および／または減圧処理することによって行う。
【００１６】
加熱処理は、気孔体の材質、体積や、気孔が独立気孔であるか連続気孔であるかといったことによって異なるが、複合材料の使用環境の上限温度（たとえば、自動車部材用途においては８０℃）よりも１０〜３０℃程度高い温度で行うのが好ましい。また、処理時間は、気孔体の体積やガスの透過性等によって異なるので、後述する気体含有体積比をモニタしながら決定するのが好ましいが、目安としては、数時間から数十時間程度である。
【００１７】
減圧処理は、高真空下で行ったほうが脱気効率がよく、短時間で気体含有体積比を低くすることができるが、真空度を高くすると気孔が変形したり潰れたりすることがあるので、通常は大気圧の１／２〜１／１００程度の圧力下で行う。また、処理時間は、やはり気孔体の材質、体積や、気孔が独立気孔であるか連続気孔であるかといったことによって異なるので、後述する気体含有体積比をモニタしながら決定するのが好ましいが、目安としては、数時間から数十時間程度である。なお、加熱処理と減圧処理とを併用する場合、温度も高いほど脱気効率がよいが、あまり高くすると気孔や気孔体の形状が変形することがあるので、気孔体のガラス転移温度を超えない温度とするのが好ましい。
【００１８】
かかる加熱処理および／または減圧処理を行うことにより、気体含有体積比が０．９以下の気孔体を得ることができる。これにより、上述したように、気孔体に含まれているガスが使用中の温度変動等によって徐々に放出され、ＦＲＰ層との界面に溜まって界面剥離を起こしたり、ＦＲＰ層に膨れが生じたりするのを防止することができる。また、成形中にガスが十分に抜けきらない間にＦＲＰ層が形成されることによって界面に残留するガスが使用時の温度変動等に伴って膨張、収縮を繰り返し、界面を剥離させるといった不都合を防止することができるようになる。なお、加熱処理および／または減圧処理によって気体含有体積比を０．９以下とした後は、気孔体をガスバリア性を有する容器や袋、乾燥機やデシケータ等に入れ、複合材料の製造に供するまで保存するのが好ましい。
【００１９】
上記において、気孔体の気体含有体積比とは、気孔体中に含まれるガスの標準状態における体積と気孔体の気孔容積との比である。気体体積含有率が１よりも大きいということは、気孔体中のガス圧が大気圧よりも高いということであり、ガスは気孔体の外に拡散しようとする。逆に、１よりも小さい場合には、気孔体中のガスは外に拡散せず、むしろ、大気中の空気を気孔中に取り込もうとする。したがって、この気体含有体積比を、余裕をみて０．９以下としておけば、気孔体中のガスは外に出てこないことになり、上述したように、気孔体に含まれているガスが使用中の温度変動等によって徐々に放出され、ＦＲＰ層との界面に溜まって界面剥離を起こしたり、ＦＲＰ層に膨れが生じたりするのを防止することができる。また、成形中にガスが十分に抜けきらない間にＦＲＰ層が形成されることによって界面に残留するガスが使用時の温度変動に伴って膨張、収縮を繰り返し、界面を剥離させるといった不都合を防止することができるようになる。
【００２０】
気孔体の気体含有体積比は、次のようにして測定する。すなわち、まず、ＪＩＳ Ｋ ７２２２に規定される方法により、気孔体の密度Ｍ₁を測定する。これと、気孔体を構成する材料の密度Ｍ₂とから、次式に基づいて単位重さあたりの気孔の体積Ｖ₀を求める。
【００２１】
Ｖ₀＝（１／Ｍ₁）−（１／Ｍ₂）
次に、試験片として重さが０．３〜１ｇ程度の気孔体を用意し、それを、試験片を十分に押し潰すことができる、たとえば万力のような圧縮手段に装着する。一方、水を張った容器を用意し、気孔体を圧縮手段ごと水中に沈め、圧縮手段で気孔体を押し潰し、気孔体中に含まれているガスを放出させるとともに、放出されたガスを、たとえば容器上方に設けたビーカー等で捕集し、捕集されたガスの体積を求め、それを試験片の重さで割って気孔体の単位重さあたりのガスの体積Ｖ₁を求める。気体含有体積比は、上記体積Ｖ₀とこの体積Ｖ₁とから、次式によって求める。
【００２２】
気体含有体積比＝Ｖ₁／Ｖ₀
なお、体積Ｖ₁の測定にあたり、気孔体中に存在するガスが水に溶けやすいガスである場合には、体積Ｖ₁の値が低く測定されるので、そのような場合には、あらかじめ、気孔体中に存在するガスと同一のガスを飽和状態になるまで水に溶かしておくのがよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１、図２は、本発明の方法を実施している様子を示すもので、図１において、成形型は、内部にキャビティが形成される、表面を離型処理した上型１、下型２を有する。また、下型２の一端側には、キャビティの幅方向に延びる溝からなる樹脂注入口３が設けられ、他端側には、やはりキャビティの幅方向に延びる溝からなる減圧吸引口４が設けられている。樹脂注入口３はバルブ１５を介して樹脂タンク５に接続され、樹脂タンク５は加圧ポンプ６に接続されている。また、減圧吸引口４はバルブ１４、真空トラップ１３を介して真空ポンプ７に接続されている。さらに、上型１と下型２との間には、シリコンゴム、ネオプレンゴム、ブチルゴム等のゴムからなるＯ−リング８が介在され、上型１と下型２とで形成されるキャビティ内を気密に保つことができるようになっている。
【００２４】
さて、かかる成形型を用いた複合材料の製造は、図２に図１のＡ−Ａ断面図で示すように、下型２の上に、まず、強化繊維材料９を置き、さらにその上に脱気処理した気孔体１０を置き、さらにその気孔体１０の上に上記強化繊維材料１０と同一か異なる強化繊維材料１１を置く。しかる後、上型１を閉じ、成形型を所望の温度に加熱する。
【００２５】
次に、バルブ１５を閉じ、バルブ１４を開いて真空ポンプ７を運転し、減圧吸引口４を介してキャビティ内を減圧する。キャビティ内が所望の減圧度に達した後、バルブ１４を閉じ、バルブ１５を開き、加圧ポンプ６を運転して樹脂タンク５内の熱硬化性樹脂を樹脂注入口３を介してキャビティ内に注入し、強化繊維材料９、１１に含浸する。
【００２６】
熱硬化性樹脂が強化繊維材料９、１１に含浸され、減圧吸引口４に熱硬化性樹脂が流出してきたらバルブ１５を閉じ、熱硬化性樹脂を硬化させる。熱硬化性樹脂が硬化した後、成形型を開き、離型する。かくして、気孔体１０の両面にＦＲＰ層が形成されたサンドイッチ構造の複合材料が得られる。
【００２７】
図３に示す形態のものは、図１に示した成形型の上型１に代えてバギングシート１２を用いるようにしたもので、図１に示したものと同一の部分には同一の符号が付されている。ただ、樹脂タンク５を大気圧に保つ関係で図１における加圧ポンプ６は設けていない。バギングシート１２は、ナイロン、シリコーン、ポリイミド、ポリエチレン等の、可とう性や耐熱性、離型性を有する高分子材料からなるもので、必要に応じて脱型をより容易にするための離型処理を施しておく。なお、図３におけるＢ−Ｂ断面は、図２に示したＡ−Ａ断面と同じである。
【００２８】
図１に示した形態において、キャビティ内を減圧することは必須ではない。減圧することなく熱硬化性樹脂を注入することもできるが、減圧したほうが強化繊維基材への含浸性が向上する。なお、熱硬化性樹脂を強化繊維材料に含浸した後、バルブ１４を閉じ、減圧吸引を停止して注入した熱硬化性樹脂をしばらく保圧するようにすると、含浸性がより向上する。
【００２９】
【実施例および比較例】
（実施例１〜４および比較例１、２）
気孔体として厚み３０ｍｍのポリウレタンフォームを用い、強化繊維材料として炭素繊維平織物（目付：３００ｇ／ｍ²）を用い、図１、図２に示した方法によってポリウレタンフォームをコアとするサンドイッチ構造の複合材料を得た。表１に、ポリウレタンフォームの脱気処理条件と脱気処理後の諸元を示す。なお、炭素繊維平織物はポリウレタンフォームの両面全面にわたってそれぞれ３枚ずつ配置し、成型温度は７０℃、成型圧力は０．３ＭＰａ、成形時間は３０分とした。
【００３０】
得られた複合材料について、表１に示す条件で耐久性試験を行った。耐久性試験は、まず、複合材料を、９０℃のオーブン中で７２時間連続暴露した後目視により観察し、さらに温度を１００℃に上げて表１に示す時間連続暴露した後目視観察することによって行った。目視による観察では、ポリウレタンフォームとＦＲＰ層との界面の剥離の有無やＦＲＰ層の膨れの有無等を調べた。観察結果を表１に示す。なお、比較例１、２においては、ＦＲＰ層の膨れとともに、ＦＲＰ層の表面に細かい気泡（ピット）が多数発生していた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本発明は、気体含有体積比が０．９以下になるようにあらかじめ脱気処理した気孔体の表面にＦＲＰ層を形成するので、実施例と比較例との対比からも明らかなように、気孔体に含まれているガスが使用中の温度変動等によって徐々に放出され、ＦＲＰ層との界面に溜まって界面剥離を起こしたり、ＦＲＰ層に膨れが生じたりするのを防止することができる。また、成形中にガスが十分に抜けきらない間にＦＲＰ層が形成されることによって界面に残留するガスが使用時の温度変動等に伴って膨張、収縮を繰り返し、界面を剥離させるといった不都合を防止することができるようになる。そのため、本発明の方法による複合材料は信頼性に優れ、自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器の構造部材として特に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法を示す、成形型の概略縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る製造方法を示す、成形型の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１：上型
２：下型
３：樹脂注入口
４：減圧吸引口
５：樹脂タンク
６：加圧ポンプ
７：真空ポンプ
８：Ｏ−リング
９：強化繊維基材
１０：気孔体
１１：強化繊維基材
１２：バギングシート
１３：真空トラップ
１４：バルブ
１５：バルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a composite material of pores and FRP (fiber reinforced plastic), which can be suitably used as a structural member of transportation equipment such as automobiles, railway vehicles, and aircraft.
[0002]
[Prior art]
A composite material composed of a porous body such as polyurethane foam and FRP is light and highly rigid, and has attracted attention as a structural member for transportation equipment used in harsh environments such as automobiles, railway vehicles, and aircraft. .
[0003]
For example, a composite material with a sandwich structure in which a hard foam such as polymethacrylimide is used as a core and a skin (outer skin) is formed of FRP with high strength, high elastic modulus fibers such as carbon fibers, is lightweight, In addition to being highly rigid, structural fatigue due to repeated loading is unlikely to occur, and it is considered useful as an outer wall structural member of a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
By the way, when such a composite material having a rigid foam as a core and FRP as a skin has been used for a long time, the interface between the core and the skin may be peeled off. This peeling may occur when bending stress or shearing stress higher than the design value is applied, or may be due to a simple bonding failure between the core and the skin, but may occur even when there is no such abnormality. The cause is that when used for a long time in an environment where the temperature fluctuates greatly, such as outdoors, the pores of the rigid foam constituting the core are mostly independent pores, so they stayed within the independent pores. It is thought that the gas is gradually released and accumulates at the interface between the core and the skin. In extreme cases, the skin may swell or the outer shape may change. In this case, not only the mechanical properties such as strength and rigidity but also the appearance quality deteriorates.
[0005]
Further, the composite material as described above, for example, arranges prepregs of reinforcing fibers on both surfaces of a core made of a rigid foam, heats and pressurizes in a mold, and cures the thermosetting resin of the prepreg to form an FRP skin. And is bonded to the core. At this time, the pressure of the gas contained in the rigid foam increases with heating and tries to escape. However, if the thermosetting resin hardens while the gas is not sufficiently removed, the gas remains at the interface between the core and the skin, and the remaining gas repeatedly expands and contracts with temperature fluctuations during use. The interface is peeled off. Instead of a prepreg, a so-called raw reinforcing fiber material, such as a woven fabric, is used to place a woven fabric on both sides of the core, put in a mold, depressurize the mold, and then impregnate the woven fabric with a thermosetting resin while heating. There is a method of curing, but the same thing occurs depending on the timing of curing of the thermosetting resin.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional method and prevent the above-described interfacial peeling even when used outdoors for a long time with large temperature fluctuations, and is a highly reliable composite material. It is in providing a method that can be manufactured.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a composite material, wherein an FRP layer is formed on the surface of a porous body that has been deaerated beforehand so that the gas-containing volume ratio is 0.9 or less. I will provide a. By using a porous body that has been deaerated in advance, the gas contained in the porous body is gradually released due to temperature fluctuations during use, etc., and accumulates at the interface with the FRP layer, causing interfacial delamination, or in the FRP layer It is possible to prevent swelling. In addition, the FRP layer is formed while the gas does not escape sufficiently during molding, so that the gas remaining at the interface repeatedly expands and contracts due to temperature fluctuations during use, and the interface is peeled off. Will be prevented.
[0008]
There are various methods for forming the FRP layer on the surface of the pores. For example, a reinforcing fiber material is disposed on the surface of a pore body, placed on a mold, covered entirely with a bagging sheet, the bagging sheet is depressurized, and then the reinforcing fiber material is impregnated with a resin while being heated, The resin transfer molding (RTM) method, which is a kind of the resin injection (RI) method, in which the resin is cured or solidified to form the FRP layer and join and integrate the pores. This method is sometimes referred to as a vacuum assist resin transfer molding (VaRTM) method. Also, a prepreg of reinforcing fiber material is placed on the surface of the pore body, and it is put into a mold and heated and pressure-molded, or it is put into an autoclave and heated and pressure-molded. Can do.
[0009]
In any case, it is preferable that the FRP layer is formed on at least 50% of the surface of the pore body, such as the entire surface, both surfaces, or one surface of the pore body. The present invention is particularly useful in the case where an FRP layer is formed on the entire surface of the pore body without escape of gas contained in the pore body, and the pore body is covered with the FRP layer.
[0010]
As the reinforcing fiber, high-strength and high-modulus fiber such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, and high-strength polyethylene fiber can be used. From the viewpoint of weight reduction, carbon fiber is most preferable.
[0011]
Further, as the reinforcing fiber material, the above-described reinforcing fiber strands, rovings, tapes, woven fabrics, nonwoven fabrics, mats, and the like of these reinforcing fibers can be used. For applications such as structural members of transportation equipment such as automobiles, railway vehicles, and aircraft, which are particularly required for strength, those made of continuous fibers are preferred. In the case of the RTM method, it is preferable to use a woven fabric or a mat so that even a high viscosity resin can be sufficiently impregnated.
[0012]
As the resin, a thermosetting resin such as an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a polyimide resin, a phenol resin, or a vinyl ester resin, or a thermoplastic resin such as a polyamide resin or a polyethylene resin can be used. Among these, an epoxy resin is preferable because it has excellent adhesion to reinforcing fibers and pores described later, and can improve the strength of the composite material. Moreover, a phenol resin is suitable when manufacturing the structural member and construction material of the transport equipment in which a flame retardance is especially requested | required. Depending on the material of the pore body, the pore body may be dissolved by the solvent contained in the resin, so a combination of the pore body and the resin that does not cause such inconvenience is selected.
[0013]
As the pores, rigid foams such as polyurethane foam, polystyrene foam, polyethylene foam, polypropylene foam, acrylic foam, polyimide foam, phenol foam and the like can be used. Depending on the application, glass foam, ceramic foam, or porous artificial wood can also be used. These pores have spherical, polyhedral, or irregularly shaped pores. The pores may be independent pores or continuous pores. However, those containing more independent pores, preferably those having 50% or more independent pores, have high mechanical properties and are therefore transported. It is suitable for structural members of equipment and building materials. In addition, since the gas confined in the pores is gradually released over a long period of time when there are many independent pores, and the above-mentioned interface peeling and swelling are likely to occur, the present invention is used when using a porous body containing many independent pores. Useful. Among those used for transportation equipment, polyurethane foam, polystyrene foam, polyethylene foam, acrylic foam, polyimide foam, and phenol foam, which have many independent pores and excellent mechanical properties, are preferable. If the surface of the pores is subjected to chemical and mechanical surface treatment such as degreasing and sanding, the adhesion with the FRP layer formed on the surface is improved, and the composite material is more reliable. Is preferable.
[0014]
The pore body preferably has a specific gravity within the range of 0.01 to 0.3. A lower density is more convenient for reducing the weight of the composite material. However, if the density is too low, the number of pores increases and the amount of contained gas also increases. Considering these balances, those having a specific gravity in the range of 0.01 to 0.3 are preferable.
[0015]
The deaeration treatment of the pore body is performed by subjecting the pore body to heat treatment and / or pressure reduction treatment.
[0016]
The heat treatment differs depending on the material and volume of the porous body, and whether the pores are independent pores or continuous pores, but from the upper limit temperature of the environment in which the composite material is used (for example, 80 ° C. for automobile parts) Is preferably performed at a temperature about 10 to 30 ° C. higher. Further, since the treatment time varies depending on the volume of the pores, gas permeability, and the like, it is preferable to determine while monitoring the gas-containing volume ratio described later, but as a guideline, it is about several hours to several tens of hours. .
[0017]
The depressurization treatment is better under a high vacuum, and the degassing efficiency is better, and the gas-containing volume ratio can be lowered in a short time, but if the degree of vacuum is increased, the pores may be deformed or crushed. Usually, it is performed under a pressure of about 1/2 to 1/100 of atmospheric pressure. In addition, since the treatment time varies depending on the material and volume of the pore body and whether the pore is an independent pore or a continuous pore, it is preferable to determine the treatment time while monitoring the gas-containing volume ratio described later. As a guide, it is about several hours to several tens of hours. When heat treatment and decompression treatment are used in combination, the higher the temperature, the better the deaeration efficiency, but if it is too high, the shape of the pores and the pore body may be deformed, so the glass transition temperature of the pore body is not exceeded. The temperature is preferred.
[0018]
By performing such heat treatment and / or pressure reduction treatment, a porous body having a gas-containing volume ratio of 0.9 or less can be obtained. As a result, as described above, the gas contained in the pores is gradually released due to temperature fluctuations during use, etc., and accumulates at the interface with the FRP layer, causing interfacial delamination, or swelling of the FRP layer. Can be prevented. In addition, since the FRP layer is formed while the gas is not sufficiently removed during molding, the gas remaining at the interface repeatedly expands and contracts due to temperature fluctuations during use, and the interface is peeled off. Can be prevented. After the gas content volume ratio is reduced to 0.9 or less by heat treatment and / or decompression treatment, the pores are put in a container or bag having a gas barrier property, a dryer or a desiccator, and the like until the composite material is manufactured. It is preferable to preserve.
[0019]
In the above, the gas-containing volume ratio of the pore body is the ratio of the volume of the gas contained in the pore body in the standard state to the pore volume of the pore body. A gas volume content greater than 1 means that the gas pressure in the pore body is higher than atmospheric pressure, and the gas tends to diffuse out of the pore body. Conversely, if it is less than 1, the gas in the pores will not diffuse out, but rather will attempt to take atmospheric air into the pores. Therefore, if this gas content volume ratio is set to 0.9 or less with a margin, the gas in the pores will not come out, and as described above, the gas contained in the pores is used. It is gradually released due to temperature fluctuations in the inside, and can be prevented from accumulating at the interface with the FRP layer and causing interface peeling or swelling of the FRP layer. In addition, the FRP layer is formed while the gas does not escape sufficiently during molding. This prevents the gas remaining at the interface from repeatedly expanding and contracting due to temperature fluctuations during use and causing the interface to peel off. Will be able to.
[0020]
The gas-containing volume ratio of the pores is measured as follows. That is, first, the density M ₁ of the pores is measured by a method defined in JIS K 7222. From this and the density M _{2 of} the material constituting the pore body, the pore volume V ₀ per unit weight is obtained based on the following equation.
[0021]
V ₀ = (1 / M ₁ ) − (1 / M ₂ )
Next, a porous body having a weight of about 0.3 to 1 g is prepared as a test piece, and is attached to a compression means such as a vise that can sufficiently crush the test piece. On the other hand, a container filled with water is prepared, the pore body is submerged together with the compression means, the pore body is crushed by the compression means, and the gas contained in the pore body is released, and the released gas is For example, the volume of the gas collected by a beaker provided above the container is obtained, and the volume of the collected gas is divided by the weight of the test piece to obtain the volume V ₁ of the gas per unit weight of the pores. The gas-containing volume ratio is obtained from the volume V ₀ and the volume V _{1 according} to the following equation.
[0022]
Gas-containing volume ratio = V ₁ / V ₀
In measuring the volume V ₁ , when the gas present in the pore body is a gas that is easily dissolved in water, the value of the volume V ₁ is measured low. It is better to dissolve the same gas that exists in the body in water until saturation occurs.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a state in which the method of the present invention is carried out. In FIG. 1, the mold is formed by an upper mold 1 and a lower mold in which a cavity is formed and the surface is subjected to mold release treatment. 2 A resin injection port 3 made of a groove extending in the width direction of the cavity is provided on one end side of the lower mold 2, and a vacuum suction port 4 made of a groove also extending in the width direction of the cavity is provided on the other end side. It has been. The resin injection port 3 is connected to a resin tank 5 through a valve 15, and the resin tank 5 is connected to a pressure pump 6. The vacuum suction port 4 is connected to the vacuum pump 7 via a valve 14 and a vacuum trap 13. Further, an O-ring 8 made of silicon rubber, neoprene rubber, butyl rubber or the like is interposed between the upper mold 1 and the lower mold 2, and the inside of the cavity formed by the upper mold 1 and the lower mold 2 is interposed. It can be kept airtight.
[0024]
Now, in the production of a composite material using such a molding die, as shown in the AA cross-sectional view of FIG. 1 in FIG. 2, first, the reinforcing fiber material 9 is placed on the lower die 2, and further thereon. The deaerated pore body 10 is placed, and the reinforcing fiber material 11 that is the same as or different from the reinforcing fiber material 10 is placed on the pore body 10. Thereafter, the upper mold 1 is closed and the mold is heated to a desired temperature.
[0025]
Next, the valve 15 is closed, the valve 14 is opened, the vacuum pump 7 is operated, and the inside of the cavity is decompressed through the decompression suction port 4. After the inside of the cavity reaches the desired degree of pressure reduction, the valve 14 is closed, the valve 15 is opened, and the pressurizing pump 6 is operated to transfer the thermosetting resin in the resin tank 5 into the cavity through the resin inlet 3. It is injected and impregnated into the reinforcing fiber materials 9 and 11.
[0026]
When the thermosetting resin is impregnated into the reinforcing fiber materials 9 and 11 and the thermosetting resin flows out to the vacuum suction port 4, the valve 15 is closed to cure the thermosetting resin. After the thermosetting resin is cured, the mold is opened and released. Thus, a composite material having a sandwich structure in which FRP layers are formed on both surfaces of the pore body 10 is obtained.
[0027]
In the embodiment shown in FIG. 3, a bagging sheet 12 is used instead of the upper mold 1 shown in FIG. 1, and the same parts as those shown in FIG. It is attached. However, the pressurizing pump 6 in FIG. 1 is not provided in order to keep the resin tank 5 at atmospheric pressure. The bagging sheet 12 is made of a polymer material having flexibility, heat resistance, and releasability, such as nylon, silicone, polyimide, polyethylene, etc., and is released for easier demolding as necessary. Process it. In addition, the BB cross section in FIG. 3 is the same as the AA cross section shown in FIG.
[0028]
In the embodiment shown in FIG. 1, it is not essential to reduce the pressure in the cavity. Although the thermosetting resin can be injected without reducing the pressure, impregnation into the reinforcing fiber base is improved by reducing the pressure. If the reinforcing fiber material is impregnated with the thermosetting resin and then the valve 14 is closed, the suction under reduced pressure is stopped and the injected thermosetting resin is held for a while, so that the impregnation property is further improved.
[0029]
Examples and Comparative Examples
(Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2)
A composite of a sandwich structure using a polyurethane foam having a thickness of 30 mm as the pores, a carbon fiber plain fabric (weight per unit: 300 g / m ² ) as the reinforcing fiber material, and a polyurethane foam as a core by the method shown in FIGS. Obtained material. Table 1 shows the degassing conditions of the polyurethane foam and the specifications after the degassing. In addition, three carbon fiber plain fabrics were respectively arranged on both surfaces of the polyurethane foam, the molding temperature was 70 ° C., the molding pressure was 0.3 MPa, and the molding time was 30 minutes.
[0030]
The obtained composite material was subjected to a durability test under the conditions shown in Table 1. In the durability test, first, the composite material was exposed visually in an oven at 90 ° C. for 72 hours and then visually observed, and further, the temperature was raised to 100 ° C. and continuously exposed for the time shown in Table 1, followed by visual observation. went. In visual observation, the presence or absence of peeling at the interface between the polyurethane foam and the FRP layer, the presence or absence of swelling of the FRP layer, and the like were examined. The observation results are shown in Table 1. In Comparative Examples 1 and 2, along with the swelling of the FRP layer, many fine bubbles (pits) were generated on the surface of the FRP layer.
[0031]
[Table 1]

[0032]
【The invention's effect】
In the present invention, since the FRP layer is formed on the surface of the porous body that has been deaerated in advance so that the gas-containing volume ratio is 0.9 or less, as is apparent from the comparison between the example and the comparative example, It is possible to prevent the gas contained in the body from being gradually released due to temperature fluctuations during use, etc., and accumulating at the interface with the FRP layer to cause interface peeling or swelling of the FRP layer. In addition, since the FRP layer is formed while the gas is not sufficiently removed during molding, the gas remaining at the interface repeatedly expands and contracts due to temperature fluctuations during use, and the interface is peeled off. Can be prevented. Therefore, the composite material according to the method of the present invention is excellent in reliability, and can be particularly suitably used as a structural member for transportation equipment such as automobiles, railway vehicles, and aircraft.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a mold showing a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
FIG. 3 is a schematic vertical sectional view of a mold showing a manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Upper mold 2: Lower mold 3: Resin injection port 4: Pressure reducing suction port 5: Resin tank 6: Pressure pump 7: Vacuum pump 8: O-ring 9: Reinforcing fiber substrate 10: Porous body 11: Reinforcing fiber Base material 12: Bagging sheet 13: Vacuum trap 14: Valve 15: Valve

Claims (9)

気体含有体積比が０．９以下になるようにあらかじめ脱気処理した気孔体の表面にＦＲＰ層を形成することを特徴とする複合材料の製造方法。A method for producing a composite material, comprising forming an FRP layer on a surface of a pore body that has been deaerated in advance so that a gas-containing volume ratio is 0.9 or less. 気孔の少なくとも５０％が独立気孔である気孔体を用いる、請求項１に記載の複合材料の製造方法。The method for producing a composite material according to claim 1, wherein a pore body in which at least 50% of the pores are independent pores is used. 気孔体の表面の少なくとも５０％にＦＲＰ層を形成する、請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。The method for producing a composite material according to claim 1, wherein an FRP layer is formed on at least 50% of the surface of the pore body. 気孔体の脱気処理を、気孔体を加熱処理および／または減圧処理することによって行う、請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料の製造方法。The method for producing a composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the pore body is degassed by subjecting the pore body to heat treatment and / or pressure reduction treatment. 気孔体は、脱気処理によって気体含有体積比が０．９以下となった後ガスバリア性を有する容器、袋、乾燥機、またはデシケータに入れられて保存されていたものである、請求項１〜４のいずれかに記載の複合材料の製造方法。The porous body is one that has been stored in a container, bag, dryer, or desiccator having gas barrier properties after the gas-containing volume ratio becomes 0.9 or less by deaeration treatment, 5. A method for producing a composite material according to any one of 4 above. 気孔体の表面に強化繊維材料を配し、強化繊維材料に樹脂を含浸し、成形してＦＲＰ層を形成する、請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料の製造方法。The method for producing a composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein a reinforcing fiber material is disposed on the surface of the pore body, the reinforcing fiber material is impregnated with a resin, and molded to form an FRP layer. 気孔体の表面に強化繊維材料のプリプレグを配し、成形してＦＲＰ層を形成する、請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料の製造方法。The manufacturing method of the composite material in any one of Claims 1-6 which arrange | positions the prepreg of a reinforced fiber material on the surface of a pore body, and shape | molds and forms a FRP layer. 気孔体として、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、アクリルフォーム、ポリイミドフォーム、フェノールフォーム等の硬質フォームを用いる、請求項１〜７のいずれかに記載の複合材料の製造方法。The manufacturing method of the composite material in any one of Claims 1-7 using hard foams, such as a polyurethane foam, a polystyrene foam, a polyethylene foam, an acrylic foam, a polyimide foam, a phenol foam, as a pore body. 比重が０．０１〜０．３の範囲内にある気孔体を用いる、請求項１〜８のいずれかに記載の複合材料の製造方法。 The manufacturing method of the composite material in any one of Claims 1-8 using the pore which has a specific gravity in the range of 0.01-0.3 .

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