JP5651925B2 - 繊維強化複合材料成形品とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料成形品とその製造方法に関する。

繊維強化複合材料（以下、「ＦＲＰ」という。）は、軽量で且つ高強度である特徴から、航空機、自動車、スポーツ、レジャー、その他各種工業用途に利用されている。また、ＦＲＰは、それを構成する繊維集束体の配向性によって特徴ある異方性光沢を有し、さらに表面に塗装等の処理を施すことによって、深みのある重厚な外観を与える等の特徴を有する。

近年、これらの特徴に加え、難燃性を付与したＦＲＰも数多く検討され、各種電気・電子機器筐体から航空機内装品、自動車内装品などへの用途が拡がっている。これら電気・電子機器筐体、航空機内装品、自動車内装品に用いる場合には、外板を形成するＦＲＰ板の一方の面に同種のＦＲＰや熱可塑性樹脂、金属材料などを接合一体化した三次元形状の部材を用いる場合が多い。
例えば、特許文献１には、可撓性を有する炭素繊維複合材料板の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して結合一体化せしめた炭素繊維複合成形品が開示されている。

特許第３０３５４０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、外板を形成するＦＲＰ板の一方の面の全体に、熱可塑性樹脂や金属材料を射出成形して接合すると、ＦＲＰ板と熱可塑性樹脂や金属材料とでは熱膨張率が異なるため、冷却した際に熱可塑性樹脂や金属材料が収縮し、その反動でＦＲＰ板が反る場合があった。ＦＲＰ板が反ると、電気・電子機器筐体、航空機内装品、自動車内装品や、各種工業品として用いるには不適となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、熱可塑性樹脂を射出成形しても繊維強化複合材料が反りにくい繊維強化複合材料成形品とその製造方法の提供を課題とする。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸した繊維強化複合材料の一方の面の全体に、格子状となるように熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化した繊維強化複合材料成形品であって、格子を形成する熱可塑性樹脂のリブを繊維強化複合材料上に投影したときのリブの占有面積が、全体の１／２０〜１／２であることを特徴とする。
また、前記強化繊維が、炭素繊維であることが好ましい。
さらに、前記マトリックス樹脂が、リンを含有するエポキシ樹脂であることが好ましい。
また、前記熱可塑性樹脂が、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、またはポリカーボネート樹脂とアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂とのアロイ樹脂であることが好ましい。
さらに、前記接合一体化は、インジェクションプレスによりなされることが好ましい。

また、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸した繊維強化複合材料の一方の面の全体に、格子状となるように熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化する繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、格子を形成する熱可塑性樹脂のリブを繊維強化複合材料上に投影したときのリブの占有面積が、全体の１／２０〜１／２となるように熱可塑性樹脂を射出成形することを特徴とする。
さらに、インジェクションプレスにより、前記熱可塑性樹脂を射出成形することが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、熱可塑性樹脂を射出成形しても繊維強化複合材料が反りにくい。
また、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法によれば、熱可塑性樹脂を射出成形しても繊維強化複合材料が反りにくい繊維強化複合材料成形品が得られる。

本発明の繊維強化複合材料成形品の一例を示す斜視図である。 図１に示す形状の格子を形成するリブを繊維強化複合材料上に投影した図である。 格子の形状の他の例を示す平面図である。 リブの断面形状の一例を示す断面図である。 リブの断面形状の他の例を示す断面図である。 リブの断面形状の他の例を示す断面図である。 金型の一例を示す断面図である。 金型の他の例を示す断面図である。 比較例１により得られた繊維強化複合材料成形品を示す斜視図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の繊維強化複合材料成形品の一例を示す斜視図である。この例の繊維強化複合材料成形品１は、繊維強化複合材料（以下、「ＦＲＰ」という。）１０の一方の面に、格子状となるように射出成形された熱可塑性樹脂２０が接合一体化されている。
なお、図２〜８において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

＜繊維強化複合材料＞
本発明に用いるＦＲＰ１０としては、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したプリプレグを、必要に応じて複数積層し、高温高圧下で成形したものが挙げられる。
強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、高強度ポリエステル繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維などの各種の無機繊維または有機繊維を用いることができる。これらの中でも難燃性の観点から炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維が好ましく、さらに比強度および比弾性に優れる点で炭素繊維が特に好ましい。
強化繊維の形態としては、一方向に引き揃えてもよく、織物、またノンクリンプファブリックでもよい。

マトリックス樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド（ＰＡ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリロニトリル−エチレン−スチレン（ＡＥＳ）樹脂、アクリロニトリル−スチレン−アクリレート（ＡＳＡ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリオレフィン（ＰＯ）樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリアクリロニトリルスチレン（ＰＡＳ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂等が挙げられる。
これらの中でも靭性、耐衝撃性に優れる点で熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂が好ましい。さらに電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品、各種工業品に用いることを考慮すると、難燃性を有する点で、リンを含有するエポキシ樹脂が特に好ましい。

＜熱可塑性樹脂＞
ＦＲＰ１０の表面に射出成形する熱可塑性樹脂２０としては、例えばマトリックス樹脂の説明において先に例示した熱可塑性樹脂や、ポリビニルフォルマール（ＰＶＦ）、あるいはこれらの樹脂を組み合わせてなるアロイ樹脂等、射出成形できる樹脂であればよく、ＦＲＰとの接着性を考慮して適宜選定して使用することができる。これらの中でも、靭性・汎用性に優れる点で、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＣ樹脂とＡＢＳ樹脂とのアロイ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＥＳ樹脂とのアロイ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＳＡ樹脂とのアロイ樹脂が好適であり、特にＡＢＳ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＢＳ樹脂とのアロイ樹脂が適している。
また、ＦＲＰ１０の表面に射出成形する熱可塑性樹脂２０には、強化繊維、強化充填材、難燃剤、着色剤、安定剤等の添加剤を適宜配合してもよい。

本発明の繊維強化複合材料成形品１は、熱可塑性樹脂２０がＦＲＰ１０の一方の面に格子状に射出成形され接合一体化してなる。熱可塑性樹脂を格子状に射出成形することで、従来のようにＦＲＰの一方の面の全体に、熱可塑性樹脂を厚さが均一になるように射出成形する場合に比べて、ＦＲＰに対する熱可塑性樹脂の割合が少なくなる。従って、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との熱膨張率差が軽減され、ＦＲＰが反るのを抑制できる。
図１に示すように、格子は熱可塑性樹脂２０のリブ２１により形成される。格子の高さＨ_１は３〜２０ｍｍが好ましい。格子の高さＨ_１が３ｍｍ以上であれば、補強部材として充分な剛性が得られる。一方、格子の高さＨ_１が２０ｍｍ以下であれば、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との熱膨張率差によるＦＲＰの反りを抑制しやすくなる。

また、例えば図２に示すように、格子を形成するリブをＦＲＰ１０上に投影したときのリブ２１の占有面積は、全体の１／２０〜１／２であることが好ましい。リブ２１の占有面積が全体の１／２０以上であれば、ＦＲＰの補強効果を充分に高めることができる。一方、リブ２１の占有面積が全体の１／２以下であれば、熱可塑性樹脂を射出成形した後のＦＲＰの反りを抑制しやすくなると共に、得られる繊維強化複合材料成形品の軽量化や、熱可塑性樹脂の使用量の削減につながる。
なお、図２は図１に示す形状の格子を形成するリブ２１をＦＲＰ上に投影したときの状態を表す図である。

格子の形状としては特に制限されず、リブの占有面積が上述した範囲内となるような形状が好ましい。例えば図１に示すような四角状の他、図３（ａ）に示すような筋状、図３（ｂ）に示すようなハニカム状、図３（ｃ）に示すような円状などが挙げられる。これらの中でも補強効果と金型作製の容易さを考慮すると、図１に示すような四角状の格子が好ましい。

格子の形状が図１に示すような四角状の場合、格子のピッチＰは１０〜１００ｍｍが好ましい。格子のピッチＰが１０ｍｍ以上であれば、熱可塑性樹脂を射出成形した後のＦＲＰの反りを抑制しやすくなると共に、得られる繊維強化複合材料成形品の軽量化や、熱可塑性樹脂の使用量の削減につながる。一方、格子のピッチＰが１００ｍｍ以下であれば、ＦＲＰの補強効果を充分に高めることができる。
格子の形状が四角状の場合、縦方向と横方向のピッチが等しい正方形が最適であるが、長方形であってもよい。

格子を形成するリブ２１の断面形状としては、図４に示すような長方形の他、図５に示すように長方形の柱状部２１ａと、ＦＲＰ１０との接合面２１ｂに向かって末広な底部２１ｃとからなる形状、図６に示すように長方形の柱状部２１ａと、ＦＲＰ１０との接合面２１ｂに向かって末広な底部２１ｃとからなり、かつ隣り合うリブ２１の接合面２１ｂが連結している形状などが挙げられる。特に図５、６に示すような断面形状であれば、ＦＲＰ１０とリブ２１との接着性がより向上する。
また、リブ２１の先端２１ｄは、図４〜６に示すような非テーパー状に限定されず、テーパー状であってもよいし、逆釣鐘状であってもよい。

なお、リブ２１の断面形状が図５に示す形状の場合、底部２１ｃの高さＨ_２は、リブ２１の高さ（すなわち、格子の高さＨ_１）の１／１０〜８／１０倍が好ましい。また、底部２１ｃの起点２１１を通る線が接合面２１ｂと直交する点２１２から、底部２１ｃの終点２１３までの距離をＷ_１、隣り合うリブ２１の距離をＷ_２としたときに、距離Ｗ_１は距離Ｗ_２の１／５０〜１／２倍が好ましい。なお、距離Ｗ_２は、格子のピッチＰに相当する。

また、リブ２１の断面形状が図６に示す形状の場合、底部２１ｃの高さＨ_２は、リブ２１の高さ（すなわち、格子の高さＨ_１）の１／１０〜８／１０倍が好ましい。また、隣り合うリブ２１の連結点２１４から接合面２１ｂまでの距離Ｈ_３は、底部２１ｃの高さＨ_２の１／１０〜８／１０倍が好ましい。さらに、底部２１ｃの起点２１１を通る線と、連結点２１４を通る線が直交する点２１５から連結点２１４までの距離Ｗ_３は、隣り合うリブ２１の距離Ｗ_２の１／５０〜１／２倍が好ましい。

＜繊維強化複合材料成形品の製造方法＞
本発明の繊維強化複合材料成形品は、以下のようにして製造できる。
すなわち、所望の格子状に熱可塑性樹脂を射出成形できる金型にＦＲＰを入れ、熱可塑性樹脂を射出成形し、ＦＲＰと熱可塑性樹脂が接合一体化した繊維強化複合材料形成品を得る。
射出条件としては特に制限されず、用いるＦＲＰや熱可塑性樹脂の種類や、金型の形状に合わせて適宜設定すればよい。

金型としては特に制限されず、例えば図４に示す断面形状のリブ２１により格子を形成する場合は、図７に示すようなＦＲＰ１０を設置する下型３１と、凸部３２ａおよび凹部３２ｂを有する上型３２からなる金型３０を用いればよい。また、リブの接合面が連結している断面形状のリブにより格子を形成する場合は、例えば図８に示すようなＦＲＰ１０を設置する下型４１と、凸部４２ａおよび凹部４２ｂを有する上型４２からなり、下型４１と上型４２が合わさったときに、ＦＲＰ１０と凸部４２ａの間に空隙が形成される金型４０を用いればよい。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、既存の射出成形機を用いて製造できるが、大型成形品の成形が可能であり、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性がより強固となる点で、インジェクションプレスを用いることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、ＦＲＰの一方の面に、熱可塑性樹脂を格子状に射出成形することで、従来のようにＦＲＰの一方の面の全体に、熱可塑性樹脂を厚さが均一になるように射出成形する場合に比べて、ＦＲＰに対する熱可塑性樹脂の割合が少なくなる。従って、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との熱膨張率差が軽減され、ＦＲＰが反るのを抑制できる。
また、本発明により得られる繊維強化複合材料成形品は、ＦＲＰ本来の特性、すなわち軽量で、優れた強度、剛性、寸法安定性、耐久性、衝撃吸収性を発現できると共に、ＦＲＰ特有の深みのある重厚な外観を有する。

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
＜ＦＲＰの作製＞
プリプレグ（三菱レイヨン株式会社製のパイロフィルプリプレグ、「品番：ＴＲ３８０Ｇ２００Ｓ」、繊維目付２００ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３３質量％）を３００ｍｍ×３００ｍｍに切断し、炭素繊維が０°／９０°／９０°／０°の向きになるよう４枚積み重ね、１３０℃×９０分、昇温速度２℃／分、圧力０．６ＭＰａの条件でオートクレーブにて硬化し、厚さ０．８ｍｍのＦＲＰを得た。

＜繊維強化複合材料成形品の製造＞
得られたＦＲＰを２８０ｍｍ×２２０ｍｍに切断して金型底部にセットし、熱可塑性樹脂（ＵＭＧＡＢＳ株式会社製の難燃性ＰＣ樹脂とＡＢＳ樹脂のアロイ樹脂、「品番：ＣＸ５５Ａ」）を、シリンダー温度２３０℃、金型温度６０℃の条件で、図１に示すように、格子の高さＨ_１が５ｍｍ、格子のピッチＰが５０ｍｍ、格子を形成するリブをＦＲＰ上に投影したときのリブの占有面積が全体の８％になるように、ＦＲＰの一方の面に四角格子状に射出成形して、ＦＲＰ１０（厚さＴ_１：０．８ｍｍ）と熱可塑性樹脂２０とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品１を得た。

得られた繊維強化複合材料成形品は冷却した後もＦＲＰが反ることはなかった。また、熱可塑性樹脂側を下向きにして置き、上部よりＦＲＰの中心部に５０Ｎの荷重を加えても撓むことがなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［実施例２］
図５に示す断面形状のリブになるように、熱可塑性樹脂を格子状に射出成形した以外は、実施例１と同様にしてＦＲＰと熱可塑性樹脂とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得た。なお、形成されたリブは、格子の高さＨ_１が５ｍｍ、格子のピッチＰ（隣り合うリブ２１の距離Ｗ_２）が５０ｍｍ、底部２１ｃの高さＨ_２が２ｍｍ、距離Ｗ_１が４ｍｍ、リブをＦＲＰ上に投影したときのリブの占有面積が全体の３６％であった。
得られた繊維強化複合材料成形品は、実施例１と同様に冷却した後もＦＲＰが反ることはなかった。また、熱可塑性樹脂側を下向きにして置き、上部よりＦＲＰの中心部に５０Ｎの荷重を加えても撓むことがなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［実施例３］
ＦＲＰ用のプリプレグとして、一方向に引き揃えた炭素繊維（三菱レイヨン株式会社製、「品番：ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ」）にリンを含有するエポキシ樹脂が含浸したプリプレグ（繊維目付２２５ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３０質量％）４枚を用いた以外は、実施例１と同様にしてＦＲＰを作製し、該ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品は、実施例１と同様に冷却した後もＦＲＰが反ることはなかった。また、熱可塑性樹脂側を下向きにして置き、上部よりＦＲＰの中心部に５０Ｎの荷重を加えても撓むことがなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［実施例４］
熱可塑性樹脂として、炭素繊維強化ＡＳＡ樹脂とＰＣ樹脂とのアロイ樹脂（ＵＭＧＡＢＳ株式会社製、「品番：ＦＡ−４２０ＣＡ」）を用いた以外は、実施例１と同様にしてＦＲＰと熱可塑性樹脂とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品は、実施例１と同様に冷却した後もＦＲＰが反ることはなかった。また、熱可塑性樹脂側を下向きにして置き、上部よりＦＲＰの中心部に５０Ｎの荷重を加えても撓むことがなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［比較例１］
図９に示すように、熱可塑性樹脂の厚さＴ_２が５ｍｍになるように、ＦＲＰの一方の面の全体に熱可塑性樹脂を均一に射出成形して、ＦＲＰ１０と熱可塑性樹脂２０’とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品２を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品を室温まで冷却したところ、熱可塑性樹脂がより強く収縮してＦＲＰが大きく反り、繊維強化複合材料成形品全体としても大きく反ってしまった。

１：繊維強化複合材料成形品、
１０：繊維強化複合材料、
２０：熱可塑性樹脂、
２１：リブ。

Claims (8)

1. 強化繊維にマトリックス樹脂が含浸した繊維強化複合材料の一方の面の全体に、格子状となるように熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化した繊維強化複合材料成形品であって、
   格子を形成する熱可塑性樹脂のリブを繊維強化複合材料上に投影したときのリブの占有面積が、全体の１／２０〜１／２である、繊維強化複合材料成形品。
2. 前記強化繊維が、炭素繊維である、請求項１に記載の繊維強化複合材料成形品。
3. 前記マトリックス樹脂が、リンを含有するエポキシ樹脂である、請求項１または２に記載の繊維強化複合材料成形品。
4. 前記熱可塑性樹脂が、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂である、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品。
5. 前記熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート樹脂とアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂とのアロイ樹脂である、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品。
6. 前記接合一体化は、インジェクションプレスによりなされる、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品。
7. 強化繊維にマトリックス樹脂が含浸した繊維強化複合材料の一方の面の全体に、格子状となるように熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化する繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
   格子を形成する熱可塑性樹脂のリブを繊維強化複合材料上に投影したときのリブの占有面積が、全体の１／２０〜１／２となるように熱可塑性樹脂を射出成形する、繊維強化複合材料成形品の製造方法。
8. インジェクションプレスにより、前記熱可塑性樹脂を射出成形する、請求項７に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。

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