JP5725741B2 - Fiber reinforced composite - Google Patents
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本発明は、強化繊維から構成される不織布と熱可塑性樹脂とからなる複合材に関する。 The present invention relates to a composite material composed of a nonwoven fabric composed of reinforcing fibers and a thermoplastic resin.
自動車部品は軽量化のため炭素素材の利用が進められており、炭素繊維等の強化繊維を含む織物シートと熱可塑性樹脂とからなる複合材が良く知られている。例えば特許文献１には、透明又は半透明の熱可塑性樹脂に炭素繊維及び／又は合成繊維で成る織物シートを積層し含有させ強度、意匠性、成型性に優れた織物加飾樹脂製品を成形する方法が開示されている。熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて成形タクトの短縮には有効であるが、溶融粘度が高いために、織物シートへ含浸する速度が極めて遅く、トータルとしての成形サイクルを短縮することはできない。
したがって、これまでは織物シートへの射出による樹脂の含浸には、粘度の低い熱硬化性樹脂が用いられているが、これは自動車も含め比較的高価な用途に限られている。
For automobile parts, carbon materials are being used for weight reduction, and composite materials composed of a woven sheet containing reinforcing fibers such as carbon fibers and a thermoplastic resin are well known. For example, in Patent Document 1, a fabric decorative resin product excellent in strength, design, and moldability is formed by laminating and containing a fabric sheet made of carbon fiber and / or synthetic fiber in a transparent or translucent thermoplastic resin. A method is disclosed. Thermoplastic resins are effective in shortening the molding tact time compared to thermosetting resins, but because the melt viscosity is high, the impregnation speed of the fabric sheet is extremely slow, and the total molding cycle cannot be shortened. Can not.
Therefore, until now, a thermosetting resin having a low viscosity has been used for impregnation of a resin by injection into a fabric sheet, but this is limited to relatively expensive applications including automobiles.
特許文献１のように織物シートへ熱可塑性樹脂を含浸させるのとは異なり、強化繊維を含む熱可塑性樹脂からなるペレットを用いて射出成形を行う技術が知られている。しかし、この方式では、含まれる強化繊維が、射出成形時、特にペレットを溶融させる可塑化工程においてスクリュで強いせん断力を受けることで折損してしまう。そのために、強化繊維は、ペレットのときよりも射出成形後の繊維長が極端に短くなる。したがって、この方式による熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材は、連続繊維である織物シートを用いた複合材に比べ機械的強度が低いために、用途が限定されていた。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材の機械的強度を向上することを目的とする。
Unlike Patent Document 1, in which a woven sheet is impregnated with a thermoplastic resin, a technique for performing injection molding using pellets made of a thermoplastic resin containing reinforcing fibers is known. However, in this method, the reinforcing fiber contained is broken by receiving a strong shearing force with the screw during the injection molding, particularly in the plasticizing step for melting the pellet. Therefore, the fiber length after injection molding of the reinforcing fiber becomes extremely shorter than that of the pellet. Therefore, the fiber reinforced composite material using the thermoplastic resin according to this method has a limited use because it has lower mechanical strength than the composite material using the woven fabric sheet which is a continuous fiber.
This invention is made | formed based on such a technical subject, and it aims at improving the mechanical strength of the fiber reinforced composite material using a thermoplastic resin.
かかる目的のもとなされた、本発明の筐体用繊維強化複合材（以下、単に繊維強化複合材）は、繊維長さが１０〜３０ｍｍの強化繊維を含み、その重量平均による繊維長が３ｍｍ以上であり、不織布に由来する強化繊維と、強化繊維を保持する射出成形により浸透された熱可塑性樹脂からなるマトリクスと、を備えることを特徴とする。
本発明の繊維強化複合材は、厚み方向の中央部に配置される内層と、内層の厚み方向の両側に配置される外層と、を備える場合に、外層よりも内層に多く強化繊維が存在する形態を含む。この形態を第１形態という。また、本発明の繊維強化複合材は、第１形態とは逆に内層よりも外層に多く強化繊維が存在する形態も含む。この形態を第２形態という。
本発明の繊維強化複合材は、強化繊維からなる不織布に対して熱可塑性樹脂を射出成形することにより得ることができる。不織布は織物シートに比べて繊維間の隙間が多いので、溶融した熱可塑性樹脂の含浸が容易であり、織物シートに対して射出成形するのに比べて、強化繊維と樹脂との接触面積が大きくなり高い強度を発現することができる。また、不織布に対して熱可塑性樹脂を射出する方法によると、強化繊維を含むペレットを用いる方法に比べて成形後の強化繊維の長さを長く維持できる。つまり、本発明による繊維強化複合材は、金型内に不織布を設置した状態で当該金型内に樹脂を射出することで得ることができるので、強化繊維は強いせん断力を受けるスクリュを通過することがない。射出成形時にも、不織布は流動する溶融樹脂からせん断力を受けるが、このせん断力は射出成形機のスクリュで受けるせん断力に比べて小さいために、強化繊維が折損する度合いが小さくてすむ。その結果として、本発明の繊維強化複合材には、１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維を含み、重量平均による繊維長が３ｍｍ以上の強化繊維を含むことができる。
本発明の筐体用繊維強化複合材において、熱可塑性樹脂に対する不織布の体積比が１０〜６０％であること、不織布の単位面積当たりの強化繊維の繊維量が、４０〜５００ｇ／ｃｍ２であることが好ましい。また、不織布は、厚み方向に複数の貫通孔を備えることが好ましい。
The fiber-reinforced composite material for casing of the present invention (hereinafter simply referred to as fiber-reinforced composite material), which is made for this purpose, includes reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm, and the fiber length based on the weight average is 3 mm. It is the above, It is characterized by providing the reinforcing fiber derived from a nonwoven fabric, and the matrix which consists of a thermoplastic resin infiltrated by the injection molding which hold | maintains a reinforcing fiber.
When the fiber-reinforced composite material of the present invention includes an inner layer disposed in the center portion in the thickness direction and outer layers disposed on both sides in the thickness direction of the inner layer, more reinforcing fibers exist in the inner layer than in the outer layer. Includes form. This form is referred to as a first form. Further, the fiber reinforced composite material of the present invention includes a form in which more reinforcing fibers exist in the outer layer than in the inner layer, contrary to the first form. This form is referred to as a second form.
The fiber-reinforced composite material of the present invention can be obtained by injection-molding a thermoplastic resin to a nonwoven fabric made of reinforcing fibers. Nonwoven fabrics have more interstices between fibers than woven sheets, so it is easy to impregnate molten thermoplastic resin, and the contact area between the reinforced fibers and the resin is large compared to injection molding of woven sheets. High strength can be expressed. Moreover, according to the method of injecting a thermoplastic resin with respect to a nonwoven fabric, the length of the reinforced fiber after shaping | molding can be maintained long compared with the method of using the pellet containing a reinforced fiber. That is, the fiber reinforced composite material according to the present invention can be obtained by injecting a resin into the mold in a state in which the nonwoven fabric is installed in the mold, so that the reinforcing fiber passes through a screw that receives a strong shearing force. There is nothing. Even during the injection molding, the nonwoven fabric receives a shearing force from the flowing molten resin. Since this shearing force is smaller than the shearing force received by the screw of the injection molding machine, the degree of breakage of the reinforcing fibers can be reduced. As a result, the fiber-reinforced composite material of the present invention can include reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm, and reinforcing fibers having a weight average fiber length of 3 mm or more.
In the fiber reinforced composite material for a casing of the present invention, the volume ratio of the nonwoven fabric to the thermoplastic resin is 10 to 60%, and the fiber amount of the reinforcing fiber per unit area of the nonwoven fabric is 40 to 500 g / cm 2 . It is preferable. Moreover, it is preferable that a nonwoven fabric is equipped with several through-holes in the thickness direction.
また、本発明の繊維強化複合材において、不織布は単一のウェブからなるものを用いることができるし、積層された複数枚のウェブを用いることができる。詳しくは後述するが、上述した第１〜３形態による繊維強化複合材を作製する場合、積層された複数枚のウェブを用いることが有効である。 Moreover, in the fiber reinforced composite material of the present invention, the nonwoven fabric can be formed of a single web, or a plurality of laminated webs can be used. Although mentioned later in detail, when producing the fiber reinforced composite material by the 1st-3rd form mentioned above, it is effective to use the laminated | stacked several web.
本発明の繊維強化複合材は、不織布に由来する強化繊維と熱可塑性樹脂との親和性を向上する上で射出発泡成形を適用することもできる。これは、発泡剤を溶融樹脂中に添加することによって、その粘度が低下し、より不織布中への樹脂の含浸が容易となる。用いる発泡剤は、物理発泡剤や化学発泡剤のいずれを用いても良い。 The fiber-reinforced composite material of the present invention can be applied by injection foam molding in order to improve the affinity between the reinforcing fiber derived from the nonwoven fabric and the thermoplastic resin. This is because the foaming agent is added to the molten resin, the viscosity is lowered, and the resin is more easily impregnated into the nonwoven fabric. As the foaming agent to be used, either a physical foaming agent or a chemical foaming agent may be used.
本発明の繊維強化複合材は、不織布に由来する強化繊維がマトリクス中に保持されている。不織布は織物に比べて平面方向の強度が等方的である。したがって、本発明による繊維強化複合材もまた織物を用いた複合材に比べ、強度が等方的である。つまり、平面方向の任意の方向ａの引張強度をσａ、任意の方向ａに直交する方向ｂの引張強度をσｂとすると、本発明の繊維強化複合材は｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．１という特性を満足することができる。 In the fiber-reinforced composite material of the present invention, reinforcing fibers derived from a nonwoven fabric are held in a matrix. The nonwoven fabric has an isotropic strength in the plane direction compared to the woven fabric. Therefore, the fiber reinforced composite material according to the present invention is also isotropic in strength as compared with the composite material using a woven fabric. That is, when the tensile strength in an arbitrary direction a in the plane direction is σa and the tensile strength in a direction b orthogonal to the arbitrary direction a is σb, the fiber-reinforced composite material of the present invention is | σb−σa | / σa ≦ 0. The characteristic of 1 can be satisfied.
本発明の繊維強化複合材は、溶融した熱可塑性樹脂の含浸が容易である不織布を金型中に配置して射出成形により製造できるので、繊維強化複合材中に存在する強化繊維の長さを１０〜３０ｍｍと長くできる。その結果、本発明の繊維強化複合材は、高い機械的強度が得られる。 The fiber-reinforced composite material of the present invention can be manufactured by injection molding by placing a nonwoven fabric that is easily impregnated with a molten thermoplastic resin in a mold, so that the length of the reinforcing fiber present in the fiber-reinforced composite material can be reduced. It can be as long as 10-30 mm. As a result, the fiber-reinforced composite material of the present invention can have high mechanical strength.
以下、本発明にかかる繊維強化複合材の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
［繊維強化複合材］
本発明による繊維強化複合材は、不織布に由来する強化繊維と、強化繊維を保持する熱可塑性樹脂からなるマトリクスとからなる。
繊維強化複合材は、詳しくは後述するように、金型内に不織布を配置した状態で熱可塑性樹脂を射出成形することで得られるものであり、不織布はよく知られているように、繊維を織らずに絡み合わせたシート状のものをいい、外部に連通する多数の空孔が内部に存在する。射出成形時に溶融した熱可塑性樹脂が浸透して不織布の空孔内を満たし、繊維強化複合材のマトリックスをなす熱可塑性樹脂の機械的強度を向上させる。本発明が不織布を用いるのは、射出成形により熱可塑性樹脂を内部に浸透させるのが織物に比べて容易であることに加え、繊維の配向方向が不定方向であるため、機械的強度の平面方向の依存性がないことによる。そして機械的強度の向上を十分に発現させるためには、不織布への熱可塑性樹脂の浸透性、及び不織布と熱可塑性樹脂との親和性を十分に確保することが重要である。後述するように、本発明はこの点に特に対応した手段を講ずることができる。
Hereinafter, embodiments of a fiber-reinforced composite material according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[Fiber-reinforced composite materials]
The fiber-reinforced composite material according to the present invention includes a reinforcing fiber derived from a nonwoven fabric and a matrix made of a thermoplastic resin that holds the reinforcing fiber.
As will be described in detail later, the fiber-reinforced composite material is obtained by injection-molding a thermoplastic resin in a state where the nonwoven fabric is placed in a mold. It refers to a sheet that is intertwined without being woven, and has a large number of pores communicating with the outside. The thermoplastic resin melted at the time of injection molding penetrates and fills the pores of the nonwoven fabric, thereby improving the mechanical strength of the thermoplastic resin forming the matrix of the fiber reinforced composite material. The nonwoven fabric is used in the present invention because it is easier to infiltrate a thermoplastic resin by injection molding than a woven fabric, and the orientation direction of the fibers is an indefinite direction. Because there is no dependency. In order to sufficiently improve the mechanical strength, it is important to sufficiently ensure the permeability of the thermoplastic resin into the nonwoven fabric and the affinity between the nonwoven fabric and the thermoplastic resin. As will be described later, the present invention can take measures particularly corresponding to this point.
本発明による繊維強化複合材中には、繊維長が１０ｍｍ以上の強化繊維を含む。それにより、本発明による繊維強化複合材は機械的強度が高い。一方、強化繊維の長さは長いほど機械的強度の向上にとっては好ましいが、３０ｍｍを超えてもさほど強度向上の作用は見られなくなる。したがって、本発明の繊維強化複合材には１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維を含む。好ましい長さは１５〜３０ｍｍ、より好ましい長さは２０〜３０ｍｍである。なお、ここでいう繊維長とは、強化繊維の個々の長さをいう。
本発明の繊維強化複合材中には、１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維が１％以上含まれることが、機械的強度の向上にとって好ましい。この範囲は、より好ましくは３％以上である。１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維は多く含まれるほど好ましく、上限を規定する必要性ははいが、本発明の繊維強化複合材が射出成形により作製されることから、２０％以下、さらには１５％以下の範囲となる。
本発明の繊維強化複合材は、以上のように１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維を含むとともに、重量平均で特定される繊維長が３ｍｍ以上である。つまり、１０〜３０ｍｍと長い繊維長の強化繊維だけで繊維強化複合材を構成することは最も好ましいが、前述したように、射出成形の過程で強化繊維は折損する。したがって、１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維が含まれるだけでなく、繊維強化複合材を構成する強化繊維の全体としての繊維長を重量平均繊維長で３ｍｍ以上にすることが、機械的強度の向上にとって好ましいからである。
なお、本発明において、重量平均繊維長は、以下の方法によって測定するものとする。
成形品の任意の場所から、６０〜１００ｍｍ角程度の正方形状の試験片を切り出し、これを樹脂の分解温度以上の温度で所定時間加熱して樹脂分を灰化除去し強化繊維のみとする。この後、強化繊維のみとした試験片を適当な液媒中で分散させ７００〜１０００本の繊維の長さを、画像処理などを用いて計測する。
さらに、計測した個々の繊維の長さから下式を用いることによって重量平均繊維長を求める。ただし、式中のＬｉは繊維長であり、Ｑｉは繊維長Ｌｉの本数である。
[重量平均繊維長]＝（ΣＱｉ×Ｌｉ２)／(ΣＱｉ×Ｌｉ)
The fiber reinforced composite material according to the present invention includes reinforcing fibers having a fiber length of 10 mm or more. Thereby, the fiber reinforced composite material according to the present invention has high mechanical strength. On the other hand, the longer the length of the reinforcing fibers, the better for improving the mechanical strength. However, even if the length exceeds 30 mm, the effect of improving the strength is not seen so much. Therefore, the fiber reinforced composite material of the present invention includes reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm. A preferred length is 15 to 30 mm, and a more preferred length is 20 to 30 mm. In addition, the fiber length here means each length of the reinforcing fiber.
It is preferable for improving the mechanical strength that the fiber-reinforced composite material of the present invention contains 1% or more of reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm. This range is more preferably 3% or more. It is preferable that more reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm are contained, and it is not necessary to define the upper limit. However, since the fiber-reinforced composite material of the present invention is produced by injection molding, it is 20% or less, and further 15 % Or less.
The fiber-reinforced composite material of the present invention includes reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm as described above, and the fiber length specified by weight average is 3 mm or more. That is, it is most preferable that the fiber reinforced composite material is composed only of reinforcing fibers having a long fiber length of 10 to 30 mm. However, as described above, the reinforcing fibers break during the injection molding process. Therefore, not only the reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 30 mm are included, but the total fiber length of the reinforcing fibers constituting the fiber-reinforced composite material is 3 mm or more in terms of the weight average fiber length. This is because it is preferable for improvement.
In the present invention, the weight average fiber length is measured by the following method.
A test piece having a square shape of about 60 to 100 mm square is cut out from an arbitrary place of the molded product, and this is heated for a predetermined time at a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of the resin to ash and remove the resin component to obtain only reinforcing fibers. Then, the test piece which made only the reinforced fiber is disperse | distributed in a suitable liquid medium, and the length of 700-1000 fibers is measured using image processing etc.
Further, the weight average fiber length is obtained from the measured length of each fiber by using the following formula. However, Li in a formula is fiber length and Qi is the number of fiber length Li.
[Weight average fiber length] = (ΣQi × Li 2 ) / (ΣQi × Li)
本発明の繊維強化複合材に含まれる強化繊維は不織布に由来する。織物は織り方に応じて平面方向の強度に異方性を有するのに比べて不織布は等方性を有する。したがって、本発明の繊維強化複合材は平面方向の強度が等方性を有し、平面方向の任意の方向ａの引張強度をσａ、任意の方向ａに直交する方向ｂの引張強度をσｂとすると、｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．１を満足することができる。平面方向の強度の等方性は、より好ましくは｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．０７、さらに好ましくは｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．０３である。 The reinforcing fiber contained in the fiber-reinforced composite material of the present invention is derived from a nonwoven fabric. The nonwoven fabric is isotropic compared to the woven fabric having anisotropy in the strength in the plane direction depending on the weaving method. Therefore, the fiber-reinforced composite material of the present invention has an isotropic strength in the plane direction, the tensile strength in any direction a in the plane direction is σa, and the tensile strength in the direction b orthogonal to the arbitrary direction a is σb. Then, it is possible to satisfy | σb−σa | /σa≦0.1. The isotropic strength in the planar direction is more preferably | σb−σa | /σa≦0.07, and more preferably | σb−σa | /σa≦0.03.
本発明において、不織布に由来する強化繊維、と表現している理由は以下の通りである。本発明の繊維強化複合材は、金型内に不織布を配置した状態で射出成形することで作製される。射出成形する過程で不織布は熱可塑性樹脂による圧力を受けることで原型が崩れてしまい、不織布とは言えない形態になることもある。したがって、最終的に得られる繊維強化複合材では、不織布とは言わずに、不織布に由来する強化繊維と言うのである。もちろん、最終的に得られる繊維強化複合材が原型を留めている不織布を含む場合であっても、個々の強化繊維は不織布に由来するものであることに相違はない。 In the present invention, the reason why it is expressed as a reinforcing fiber derived from a nonwoven fabric is as follows. The fiber-reinforced composite material of the present invention is produced by injection molding in a state where a nonwoven fabric is placed in a mold. In the process of injection molding, the nonwoven fabric is deformed by receiving pressure from the thermoplastic resin, and may not be a nonwoven fabric. Therefore, the fiber-reinforced composite material finally obtained is not a nonwoven fabric but a reinforcing fiber derived from the nonwoven fabric. Of course, even if the finally obtained fiber reinforced composite material includes a non-woven fabric that retains its original shape, there is no difference that the individual reinforcing fibers are derived from the non-woven fabric.
熱可塑性樹脂は不織布の空孔内を満たすものであるから、繊維強化複合材における熱可塑性樹脂の占める比率は不織布よりも少なくなる。その中で、熱可塑性樹脂が占める比率が少なすぎる（不織布の占める比率が多すぎる）と、空孔を熱可塑性樹脂で十分に満たすことができずに親和性を十分に確保できない場合がある。また、熱可塑性樹脂の占める比率が多すぎる（不織布の占める比率が少なすぎる）と、不織布により強化されない部分が増えるために、強度向上効果を十分に得られない場合がある。以上の観点より、熱可塑性樹脂に対する不織布の体積比を１０〜６０％程度とすることが好ましい。より好ましい体積比は１５〜５５％、さらに好ましい体積比は２０〜５０％である。なお、ここでいう不織布の体積は、空孔の部分は含まないものとする。 Since the thermoplastic resin fills the pores of the nonwoven fabric, the proportion of the thermoplastic resin in the fiber-reinforced composite material is less than that of the nonwoven fabric. Among them, if the proportion of the thermoplastic resin is too small (the proportion of the nonwoven fabric is too large), the pores may not be sufficiently filled with the thermoplastic resin, and the affinity may not be sufficiently secured. Further, if the proportion of the thermoplastic resin is too large (the proportion of the nonwoven fabric is too small), the portion that is not reinforced by the nonwoven fabric increases, so that the strength improvement effect may not be sufficiently obtained. From the above viewpoint, the volume ratio of the nonwoven fabric to the thermoplastic resin is preferably about 10 to 60%. A more preferred volume ratio is 15 to 55%, and a more preferred volume ratio is 20 to 50%. In addition, the volume of the nonwoven fabric here does not include a void portion.
次に、本発明の繊維強化複合材は、強化繊維の存在位置によりいくつかの形態を含んでいる。以下、図１を参照して説明する。
＜第１形態＞
図１（ａ）に示す繊維強化複合材１００は、上述した第１形態に対応している。繊維強化複合材１００は、厚み方向の中央部に配置される内層１０１と、内層１０１の厚み方向の両側に配置される外層１０３とを備えている。この繊維強化複合材１００は、内層１０１及び外層１０３には熱可塑性樹脂からなるマトリクスが満たされているが、内層１０１にはマトリクスに保持される強化繊維が存在し、外層１０３は強化繊維が存在することなくマトリクスのみからなる。なお、図中、平行な方向の点線が強化繊維（不織布）の存在を示している。以下も同様である。
厚み方向の中央部に強化繊維が配置される第１形態による繊維強化複合材１００は、成形品表面への強化繊維の浮出しがないため、外観意匠性に優れる。また、塗装、メッキなどを施し加飾する場合にも表層に浮出た強化繊維に起因する表面の凹凸がないため優れた外観を得ることができるという効果がある。
繊維強化複合材１００の製造方法は後述する。
Next, the fiber-reinforced composite material of the present invention includes several forms depending on the location of the reinforcing fibers. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
<First form>
A fiber reinforced
The fiber-reinforced
A method for manufacturing the fiber reinforced
繊維強化複合材１００は外層１０３に強化繊維が存在しないこととしたが、本発明の第１形態は、外層１０３よりも内層１０１に多く強化繊維が存在すればよいから、外層１０３に強化繊維が存在してもよいし、外層１０３から内層１０１に向けて強化繊維の量が連続的に増加してもよい。これら形態であっても、上記の効果を享受できる。また、一方の外層１０３の表面のみ強化繊維が存在しない形態をとることもできる。
The fiber reinforced
＜第２形態＞
図１（ｂ）に示す繊維強化複合材２００は、上述した第２形態に対応している。繊維強化複合材２００は、厚み方向の中央部に配置される内層２０１と、内層２０１の厚み方向の両側に配置される外層２０３とを備えている。この繊維強化複合材２００は、内層２０１及び外層２０３には熱可塑性樹脂からなるマトリクスが満たされているが、両外層２０３にはマトリクスに保持される強化繊維が存在し、内層２０１は強化繊維が存在することなくマトリクスのみからなる。
厚み方向の両外側に強化繊維が配置される第２形態による繊維強化複合材２００は、少ない強化繊維の量で厚み方向への曲げ強度の向上が図られる。特に高価な炭素繊維を用いる場合には、曲げ強度に優れた成形品をより安価に提供することが可能となり、また、重量増加を抑えることが可能である。
繊維強化複合材２００の製造方法は後述する。
<Second form>
A fiber reinforced
The fiber reinforced
A method for manufacturing the fiber-reinforced
繊維強化複合材２００は内層２０１に強化繊維が存在しないこととしたが、本発明の第２形態は、内層２０１よりも外層２０３に多く強化繊維が存在すればよいから、内層２０１に強化繊維が存在してもよいし、外層２０３から内層２０１に向けて強化繊維の量が連続的に減少してもよい。これら形態であっても、上記の効果を享受できる。
In the fiber reinforced
＜第３形態＞
図１（ｃ）に示す繊維強化複合材３００は、上述した第３形態に対応している。繊維強化複合材３００は、厚み方向の中央部に配置される内層３０１と、内層３０１の厚み方向の両側に配置される外層３０３とを備えている。この繊維強化複合材３００は、内層３０１及び外層３０３には熱可塑性樹脂からなるマトリクスが満たされているとともに、繊維強化複合材３００の厚み方向に断続的に強化繊維が存在する。
厚み方向に亘って強化繊維が均等に保持される第３形態による繊維強化複合材３００は、各種物性が厚み方向に均等に維持されること、成形品の反りや変形が発生しにくいことなどの特徴がある。また、第１形態や第２形態と比較して不織布の位置を制御する必要がないため作りやすく製造方法としての自由度が高いという特徴がある。
繊維強化複合材３００の製造方法は後述する。
<Third form>
The fiber reinforced
In the fiber reinforced
A method for manufacturing the fiber reinforced
以上、本発明による第１形態〜第３形態を説明したが、例えば、強化繊維を含む層を厚み方向に連続的に設ける等、ここで説明した具体的な形態に本発明が限定されるものではない。 Although the first to third embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is limited to the specific embodiments described here, for example, a layer containing reinforcing fibers is continuously provided in the thickness direction. is not.
本発明は、後述するように、射出発泡成形により繊維強化複合材を製造することができる。この場合、得られる繊維強化複合材には射出発泡成形に由来する空孔がマトリクス中に存在する。この空孔の直径は、概ね、０．１〜１ｍｍ程度である。 In the present invention, as will be described later, a fiber-reinforced composite material can be produced by injection foam molding. In this case, the resulting fiber-reinforced composite material has pores derived from injection foam molding in the matrix. The diameter of the hole is about 0.1 to 1 mm.
＜不織布＞
次に本発明に用いられる不織布について説明する。
本発明に用いられる不織布は、強化繊維から構成される。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維を用いることができるが、その中で炭素繊維、ガラス繊維を用いることが好ましい。なお、炭素繊維とは、よく知られているように、有機系の繊維を炭化した繊維状物質であって、炭化度が９０〜９８％以上のものをいうが、具体的な材質を本発明は問わない。また、ガラス繊維とは、よく知られているように、ケイ酸塩を主成分とするガラスを溶融、加工して繊維状にしたものをいうが、これについても具体的な材質を本発明は問わない。
<Nonwoven fabric>
Next, the nonwoven fabric used in the present invention will be described.
The nonwoven fabric used for this invention is comprised from a reinforced fiber. As the reinforcing fiber, carbon fiber, glass fiber, boron fiber, and aramid fiber can be used. Among them, carbon fiber and glass fiber are preferably used. As is well known, carbon fiber is a fibrous material obtained by carbonizing organic fibers and having a carbonization degree of 90 to 98% or more. Does not matter. As is well known, glass fiber refers to a material obtained by melting and processing glass mainly composed of silicate into a fiber shape. It doesn't matter.
不織布における強化繊維のサイズは特に限定されないが、繊維の径（直径、以下同じ）は１〜２０μｍ、繊維の長さは１０〜１００ｍｍの範囲から選択されるのが好ましく、アスペクト比としては１００以上とするのが好ましい。繊維径が細すぎると不織布の製造過程でのハンドリングが難しく、折損などが生じやすく、またコストも著しく高くなり、また、繊維径が太すぎると熱可塑性樹脂との接触面積が低減するため所望の強度を発現できなくなる。また、繊維長が短すぎると強度が低下し、繊維長が長すぎるとコストアップの要因となる。なお、不織布を構成する強化繊維の繊維径及び繊維長は必ずしも一種類である必要はなく、複数の種類（径、長さ）の繊維を混ぜ合わせて不織布を構成してもよい。 The size of the reinforcing fiber in the nonwoven fabric is not particularly limited, but the fiber diameter (diameter, hereinafter the same) is preferably selected from the range of 1 to 20 μm, and the length of the fiber is preferably 10 to 100 mm, and the aspect ratio is 100 or more. Is preferable. If the fiber diameter is too thin, handling in the manufacturing process of the nonwoven fabric is difficult, breakage and the like are likely to occur, and the cost is remarkably high. Also, if the fiber diameter is too thick, the contact area with the thermoplastic resin is reduced. Strength cannot be expressed. On the other hand, if the fiber length is too short, the strength decreases, and if the fiber length is too long, the cost increases. Note that the fiber diameter and fiber length of the reinforcing fibers constituting the nonwoven fabric are not necessarily one type, and a plurality of types (diameters and lengths) of fibers may be mixed to constitute the nonwoven fabric.
不織布の目付量（単位面積当たりの繊維量）は特に限定されないが、４０〜５００ｍ２の範囲から選択されるのが好ましい。目付量が小さすぎると要求される強度特性を得るのが難しく、また、目付量が大きすぎると重量増や強化繊維間への樹脂浸透性が悪化する。 The basis weight of the nonwoven fabric (the amount of fibers per unit area) is not particularly limited, but is preferably selected from the range of 40 to 500 m 2 . If the basis weight is too small, it is difficult to obtain the required strength characteristics. If the basis weight is too large, the weight increase and the resin permeability between the reinforcing fibers deteriorate.
本発明における不織布は、一枚のウェブから構成することもできるし、複数枚のウェブを積層して構成することもできる。一枚か複数枚かの選択は、基本的には、繊維強化複合材において強化繊維が要求される厚さに基づいてなされる。ただし、他の要因に基づいて、不織布を構成するウェブの枚数を選択できることはもちろんである。 The nonwoven fabric in this invention can also be comprised from one web, and can also be comprised by laminating | stacking several webs. The selection of one sheet or a plurality of sheets is basically made based on the thickness required for the reinforcing fiber in the fiber-reinforced composite material. However, it goes without saying that the number of webs constituting the nonwoven fabric can be selected based on other factors.
本発明に用いられる不織布は、目付量が厚み方向に均等なものに限らず、不均等にすることができる。例えば、表裏両層の目付量を中間層の目付量に比べて大きくすると、繊維強化複合材としての曲げ剛性を向上させることができる。例えば、表裏両層の目付量を１００ｇ／ｍ２、中間層の目付量を２０ｇ／ｃｍ２とする。このように目付量を傾斜させることにより、必要な機械的強度を得るのに、中間層における繊維量を必要最小限にできるので、コスト及び重量増加を抑制することができる。また、不織布の厚み方向の一方の側の目付量を大きくし、他方の側の目付量を小さくすることにより、表裏で剛性などの物性が異なる繊維強化複合材を製造することも可能である。なお、このような目付量を傾斜させることは、一枚のウェブで不織布を構成できることはもちろん、複数枚のウェブが積層された不織布とすることもできる。複数枚のウェブが積層された不織布については、ウェブ同士を単純に積層してもよいし、ウェブ同士を結合させてもよい。つまり、本発明において、ウェブの積層状態は任意である。この結合には、次に説明するケミカルボンド法等の公知の方法を適用することができる。不織布の積層状態を適切に選択することにより、先に説明した第１形態〜第３形態を作り分けることができる。 The nonwoven fabric used in the present invention is not limited to the basis weight being uniform in the thickness direction, and can be non-uniform. For example, when the basis weight of both the front and back layers is made larger than the basis weight of the intermediate layer, the bending rigidity as the fiber-reinforced composite material can be improved. For example, the basis weight of both the front and back layers is 100 g / m 2 , and the basis weight of the intermediate layer is 20 g / cm 2 . By tilting the basis weight in this way, the amount of fibers in the intermediate layer can be minimized to obtain the required mechanical strength, so that an increase in cost and weight can be suppressed. It is also possible to produce fiber reinforced composite materials having different physical properties such as rigidity on the front and back by increasing the basis weight on one side of the nonwoven fabric in the thickness direction and decreasing the basis weight on the other side. It should be noted that inclining the weight per unit area can not only form a nonwoven fabric with a single web, but can also be a nonwoven fabric in which a plurality of webs are laminated. About the nonwoven fabric on which a plurality of webs are laminated, the webs may be simply laminated, or the webs may be combined. That is, in the present invention, the laminated state of the web is arbitrary. A known method such as a chemical bond method described below can be applied to this bonding. By appropriately selecting the laminated state of the nonwoven fabric, the first to third forms described above can be made separately.
本発明に用いる不織布の製造方法は限定されず、乾式法、湿式法、スパンボンド法、メルトプレーン法、エアレイド法などの公知の方法を広く適用することができる。また、これらの製法で得られた不織布（ウェブ）の繊維を結合する方法としては、ケミカルボンド法（浸漬法，スプレー法）、サーマルボンド法、ニードルパンチ法、水流交絡法などの公知の方法を広く適用することができる。この結合方法は、ウェブ同士を結合させる場合にも適用できる。 The manufacturing method of the nonwoven fabric used for this invention is not limited, Well-known methods, such as a dry method, a wet method, a spun bond method, a melt plane method, an airlaid method, can be applied widely. Moreover, as a method of bonding the fibers of the nonwoven fabric (web) obtained by these production methods, known methods such as a chemical bond method (immersion method, spray method), thermal bond method, needle punch method, hydroentanglement method and the like are used. Can be widely applied. This joining method can also be applied when joining webs.
＜熱可塑性樹脂＞
本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等の公知の材質から選択すればよい。
原料としての熱可塑性樹脂は、樹脂のみで構成されている場合に限らず、強化繊維を含む熱可塑性樹脂を用いてもよい。例えば、強化繊維を含んでいるペレットを熱可塑性樹脂と混合してもよいし、強化繊維を含んでいるペレットのみを原料としてもよい。
<Thermoplastic resin>
The thermoplastic resin used in the present invention is selected from known materials such as polyacrylate polymers such as polyolefin, polymethacrylate and polymethylmethacrylate, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester carbonate, polysulfone, polyimide and polyetherimide. do it.
The thermoplastic resin as a raw material is not limited to being composed only of a resin, and a thermoplastic resin containing reinforcing fibers may be used. For example, pellets containing reinforcing fibers may be mixed with a thermoplastic resin, or only pellets containing reinforcing fibers may be used as a raw material.
［製造方法］
以下、本発明の繊維強化複合材を製造する好適な方法を説明する。
図２に射出成形機１０の主要部概略を示しているように、射出成形機１０は、固定ダイプレート１４に固定金型１１が取り付けられ、固定金型１１に対向する可動金型１２は可動ダイプレート１５に取り付けられている。可動金型１２には固定金型１１に対向する面側にキャビティ１３が設けられている。固定金型１１の背面側には、固定金型１１及び固定ダイプレート１４に形成された樹脂流入路１６の入り口に当接するノズル１８を備えた射出シリンダ１７が配置されている。
[Production method]
Hereinafter, a suitable method for producing the fiber-reinforced composite material of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, the main part of the
射出成形するのに先立ち、強化繊維からなる不織布Ｎを可動金型１２のキャビティ１３内の所定位置に設置する。所定位置に設置された不織布Ｎは、型閉時や射出成形の最中に位置ずれを起こさないように固定されることが必要になる。不織布Ｎの固定方法としては、粘着剤を用いて金型に貼り付ける、あるいは、金型に設けた通気孔を介して不織布Ｎを真空引きする、といったことが考えられる。また、金型キャビティ内に突出させたピンに刺し不織布Ｎを固定することもできる。以下、ピンで不織布Ｎを固定する方法について、図３を参照して説明する。ただし、図３に示す不織布Ｎの固定方法はあくまで一例であり、他の手法を採用してもよいことは言うまでもない。
Prior to injection molding, a nonwoven fabric N made of reinforcing fibers is placed at a predetermined position in the
図３に示すように、可動金型１２は不織布Ｎをキャビティ１３の所定位置に固定する固定機構２０を備える。固定機構２０は、可動金型１２の内部に設けられる収容スペース１９内に、前後方向（可動金型１２の移動方向）に往復動可能に収容される。固定機構２０は平板状のベース２１と、ベース２１から立設する４本の固定ピン２２と、ベース２１の四隅から立設する作動コラム２３とから構成される。固定機構２０は、図３（ａ），（ｂ）に示す待機状態において、固定ピン２２の先端が不織布Ｎを貫通できるようにキャビティ１３に突出するとともに、作動コラム２３の先端が可動金型１２の前端面から突出する。この待機状態において、４本の固定ピン２２が不織布Ｎを刺すことで、不織布Ｎをキャビティ１３内に位置決めする。
As shown in FIG. 3, the
不織布Ｎを位置決めした後に、可動金型１２を固定金型１１に向けて金型を閉じる。可動金型１２の前端面が固定金型１１に接する射出位置まで可動金型１２を前進させると、作動コラム２３の先端が固定金型１１に接することで、固定機構２０は後方に押し込まれる。この動作に伴って、固定ピン２２はその先端が不織布Ｎをちょうど貫通する程度まで後退する。この状態になったなら射出成形を開始する。
After positioning the nonwoven fabric N, the
＜第１形態〜第３形態の製法＞
本発明の繊維強化複合材が、強化繊維の存在形態により第１形態〜第３形態を含むことは前述の通りであるが、以下、各形態の製造方法の概要を説明する。
第１形態（図１（ａ））による繊維強化複合材１００を、複数枚の強化繊維からなるウェブＷを積層した不織布Ｎ１を用いて製造する例を、図４を参照して説明する。
この例では、複数枚のウェブＷ同士が結合された不織布Ｎ１を用いる。ウェブＷ同士の結合方法は前述の通りである。複数枚のウェブＷ同士が結合された不織布Ｎ１を、可動金型１２のキャビティ１３内の所定位置に設置した後（図４（ａ））に、射出成形を開始する。キャビティ１３に射出された熱可塑性樹脂は、不織布Ｎ１（ウェブＷ）の空孔内を満たす。この過程で、ウェブＷ同士が結合されているので、不織布Ｎ１の側方からも熱可塑性樹脂が侵入しても（図４（ｂ）矢印Ｔ）隣接するウェブＷ同士は剥離することなく、不織布Ｎ１は結合された状態が保持される。このようにして、第１形態による繊維強化複合材１００を製造することができる（図４（ｃ））。
<The manufacturing method of the 1st form-the 3rd form>
Although it is as above-mentioned that the fiber reinforced composite material of this invention contains a 1st form-a 3rd form by the presence form of a reinforced fiber, below, the outline | summary of the manufacturing method of each form is demonstrated.
The example which manufactures the fiber reinforced
In this example, a nonwoven fabric N1 in which a plurality of webs W are combined is used. The method for joining the webs W is as described above. After the nonwoven fabric N1 in which the plurality of webs W are bonded to each other is placed at a predetermined position in the
第２形態（図１（ｂ））による繊維強化複合材２００を、複数枚の強化繊維からなるウェブＷを積層した不織布Ｎ２を用いて製造する例を、図５を参照して説明する。
この例では、４枚のウェブＷの中で隣接する２枚のウェブＷ同士は結合されているが、結合されたウェブ対ｎ１同士は単純に積層された不織布Ｎ２を用いる（図５（ａ））。隣接する２枚のウェブＷ同士の結合方法は前述の通りである。不織布Ｎ２を、可動金型１２のキャビティ１３内の所定位置に設置した後に、射出成形を開始する。キャビティ１３に射出された熱可塑性樹脂は、不織布Ｎ２（ウェブＷ）の空孔内を満たす。この過程で、ウェブ対ｎ１同士は結合されていないので、ウェブ対ｎ１の境界に熱可塑性樹脂が侵入して隣接するウェブ対ｎ１同士を離間させる（図５（ｂ））。各ウェブ対ｎ１自体は、ウェブＷ同士が結合されているので剥離することがない。このようにして、第２形態による繊維強化複合材２００を製造することができる（図５（ｃ））。
The example which manufactures the fiber reinforced
In this example, two adjacent webs W among the four webs W are joined together, but the joined web pair n1 uses a simply laminated non-woven fabric N2 (FIG. 5A). ). The method for joining two adjacent webs W is as described above. After the nonwoven fabric N2 is placed at a predetermined position in the
第３形態（図１（ｃ））による繊維強化複合材３００を、複数枚の強化繊維からなるウェブＷを積層した不織布Ｎ３を用いて製造する例を、図６を参照して説明する。
この例では、隣接するウェブＷ同士は結合されておらずウェブＷが単純に積層された不織布Ｎ３を用いる（図６（ａ））。不織布Ｎ３を、可動金型１２のキャビティ１３内の所定位置に設置した後に、射出成形を開始する。キャビティ１３に射出された熱可塑性樹脂は、不織布Ｎ３（ウェブＷ）の空孔内を満たす。この過程で、各ウェブＷ同士は結合されていないので、隣接するウェブＷの境界に熱可塑性樹脂が侵入して隣接するウェブＷ同士を離間させる（図６（ｂ））。このようにして、第３形態による繊維強化複合材３００を製造することができる（図６（ｃ））。
The example which manufactures the fiber reinforced
In this example, the non-woven fabric N3 in which the adjacent webs W are not joined and the webs W are simply laminated is used (FIG. 6A). After the nonwoven fabric N3 is placed at a predetermined position in the
＜射出圧縮成形＞
熱可塑性樹脂の射出は基本的には定法に従って行えばよいが、本発明は射出圧縮成形を適用することを推奨する。
射出圧縮成形は、射出圧縮に必要な所定の金型の開き量ｅだけ型開きをした状態で射出動作を行ない、射出開始から射出完了までの間に、可動金型１２を固定金型１１に向けて開き量ｅだけ移動させることでキャビティ１３内の可塑化された溶融樹脂を圧縮する方法である。射出圧縮成形は、射出時にキャビティをわずかに拡大し、樹脂の充填を無理なく行った後に成形品に圧力を加えるため、型内圧の一様化が進み、低歪で反りやひけの無い成形品が得られるとされている。本発明によると、射出圧縮成形は射出時の樹脂の圧力が低いことで、樹脂の射出時に不織布を構成する強化繊維が折損するのを抑制できるという効果を奏することが見出された。
<Injection compression molding>
The injection of the thermoplastic resin may basically be performed according to a conventional method, but the present invention recommends that the injection compression molding is applied.
In the injection compression molding, an injection operation is performed in a state where the mold is opened by a predetermined mold opening amount e necessary for injection compression, and the
本発明者等の検討によると、射出圧縮成形の圧縮量によって、得られる繊維強化複合材の厚みのバラツキが変動する。また、樹脂の射出により不織布を構成する強化繊維に折損が生じることは前述したとおりであるが、当初の繊維長に対する成形後の繊維長が射出圧縮成形の圧縮量によって変動する。後述する第１実施例に示されるように、圧縮量が大きくなるにつれて複合材の厚みのバラツキが大きくなる一方、射出後の繊維長については圧縮量が２ｍｍのときにピークを示している。以上より、本発明において射出圧縮成形を適用する場合には、圧縮量を１〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
また、射出圧縮成形の圧縮速度については、遅い方が成形後の繊維長が長くなる傾向にあるが、著しく遅くなると成形サイクルに影響するため、５〜１５ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定することが好ましい。
According to the study by the present inventors, the variation in the thickness of the fiber-reinforced composite material obtained varies depending on the compression amount of the injection compression molding. In addition, as described above, breakage occurs in the reinforcing fibers constituting the nonwoven fabric due to the injection of the resin, but the fiber length after molding with respect to the initial fiber length varies depending on the compression amount of the injection compression molding. As shown in a first example which will be described later, the thickness variation of the composite material increases as the compression amount increases, while the fiber length after injection shows a peak when the compression amount is 2 mm. From the above, when applying the injection compression molding in the present invention, it is preferable to set the compression amount to about 1 to 3 mm.
Further, the compression speed of the injection compression molding tends to increase the fiber length after molding, but if it becomes extremely slow, the molding cycle is affected. Therefore, the compression speed is preferably set in the range of 5 to 15 mm / sec. .
＜予熱＞
繊維強化複合材の機械的強度を向上するためには、不織布への熱可塑性樹脂の浸透性、及び不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性の向上を射出時に図ることが好ましい。ここでいう浸透性とは、溶融された熱可塑性樹脂が不織布中の空孔に浸透することをいい、また、親和性とは浸透した樹脂と繊維がなじむことをいう。そのために、本発明では、射出を開始する前に不織布を加熱することが好ましい。この加熱を予熱という。
予熱の温度は、用いられる熱可塑性樹脂の融点に応じて、当該融点以上の範囲で選択されるのが望ましいが、融点以下でも効果を得ることが可能である。いくつかの熱可塑性樹脂について例示しておくと、融点が２５５±１０℃程度のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）の加熱温度は、１２０℃以上が好ましく、１７０℃以上がより好ましい。融点が２１０±５℃程度のＰＡ６（ポリアミド６）の加熱温度は、１００℃以上が好ましく、１３０℃以上がより好ましい。また、融点が１６５±１０℃程度のＰＰ（ポリプロピレン）加熱温度は、８０℃以上が好ましく、１００℃以上がより好ましい。
<Preheating>
In order to improve the mechanical strength of the fiber-reinforced composite material, it is preferable to improve the permeability of the thermoplastic resin into the nonwoven fabric and the affinity between the fibers constituting the nonwoven fabric and the thermoplastic resin at the time of injection. Permeability here means that the molten thermoplastic resin penetrates into the pores in the nonwoven fabric, and affinity means that the penetrated resin and fibers are compatible. Therefore, in this invention, it is preferable to heat a nonwoven fabric before starting injection. This heating is called preheating.
The preheating temperature is preferably selected within a range equal to or higher than the melting point according to the melting point of the thermoplastic resin to be used, but the effect can be obtained even below the melting point. As an example of some thermoplastic resins, the heating temperature of PET (polyethylene terephthalate) having a melting point of about 255 ± 10 ° C. is preferably 120 ° C. or higher, and more preferably 170 ° C. or higher. The heating temperature of PA6 (polyamide 6) having a melting point of about 210 ± 5 ° C is preferably 100 ° C or higher, more preferably 130 ° C or higher. Further, the PP (polypropylene) heating temperature having a melting point of about 165 ± 10 ° C. is preferably 80 ° C. or higher, and more preferably 100 ° C. or higher.
予熱は金型の所定位置に不織布を設置した状態で行うことが好ましいが、射出成形機の外部で予熱が行われた不織布を金型の所定位置に設置することもできる。ただし、外部で予熱を行う場合には、温度低下を避けるために予熱された不織布を保温する必要があること、予熱を行う設備が別途必要であること、等の制約があるため、金型に設置した状態で予熱を行うことが好ましい。
金型に不織布を設置した状態で予熱を行うには、例えば、熱風を不織布に吹きつけることができる。また、不織布を構成する強化繊維が炭素繊維の場合には、不織布に渦電流を作用させて誘導加熱することができるし、不織布に通電することで抵抗加熱することもできる。さらに、金型（可動金型１２）内に冷媒流路を設け、この冷媒流路に加熱媒体を供給することで不織布を加熱することもできる。また、金型の加熱のために金型内部に電気ヒーターなどを埋め込む方法も用いることができる。
金型を介するこの加熱は、熱容量の大きな金型も加熱されているため、不織布の温度低下を防ぐのに有効である。この加熱方法は、本出願人により提供される射出成形機に設けられるアクティブ温調システム（例えば、月刊プラスチックエージ２００８年２月号）により容易に実現できる。アクティブ温調システム（以下、単にアクティブ温調）は、冷却媒体をも冷媒流路に供給することもできる。
Preheating is preferably performed in a state where the nonwoven fabric is installed at a predetermined position of the mold, but the nonwoven fabric preheated outside the injection molding machine can also be installed at a predetermined position of the mold. However, when preheating outside, it is necessary to keep the non-woven fabric preheated in order to avoid a temperature drop, and there are other restrictions such as the need for additional preheating equipment. Preheating is preferably performed in the installed state.
In order to perform preheating in a state where the nonwoven fabric is installed in the mold, for example, hot air can be blown onto the nonwoven fabric. Moreover, when the reinforcing fiber which comprises a nonwoven fabric is a carbon fiber, an eddy current can be made to act on a nonwoven fabric, induction heating can be carried out, and resistance heating can also be carried out by supplying with electricity to a nonwoven fabric. Furthermore, a nonwoven fabric can also be heated by providing a coolant channel in the mold (movable mold 12) and supplying a heating medium to the coolant channel. Also, a method of embedding an electric heater or the like inside the mold for heating the mold can be used.
This heating through the mold is effective in preventing the temperature of the nonwoven fabric from being lowered because the mold having a large heat capacity is also heated. This heating method can be easily realized by an active temperature control system provided in the injection molding machine provided by the applicant (for example, the monthly plastic age February 2008 issue). The active temperature control system (hereinafter simply referred to as “active temperature control”) can supply both the cooling medium and the refrigerant flow path.
アクティブ温調を用いた射出成形の手順を図７に基づいて説明する。
金型のキャビティ内に不織布を設置した後に、アクティブ温調側を動作させ、冷媒流路に加熱媒体を供給して金型を加熱する。金型を加熱することで、不織布を所望する温度まで加熱する。この間、射出に関する動作は待機状態とされる。なお、金型を加熱するタイミングは限定されず、成形サイクルを短縮するために不織布を設置するよりも前に金型の加熱を開始することもできる。
金型が所定の温度まで加熱されて不織布の予熱を終了すると、金型を閉じて（型閉）、熱可塑性樹脂を金型のキャビティ内に射出するとともに、射出が完了した後も保圧を所定時間行う（射出＋保圧）。この間、アクティブ温調側は、別途設けたバイパス流路内に冷媒を流すことで、金型への冷媒の供給を行わない。なお、予熱が終了すると、アクティブ温調側は供給する媒体を冷却媒体に切替えておく。
保圧の途中もしくは保圧が終了すると、射出側は冷却工程（冷却）に移行する。アクティブ温調側は、冷却媒体を金型の冷媒流路に供給することで、成形された複合材を強制的に冷却する。
以上のように、アクティブ温調を利用することで、不織布に予熱を与える工程から冷却までの工程を効率よく連続的に行うことができる。なお、ここでは射出圧縮成形について触れなかったが、アクティブ温調と射出圧縮成形を組み合わせることが有効であることは言うまでもない。
The procedure of injection molding using active temperature control will be described with reference to FIG.
After the nonwoven fabric is installed in the cavity of the mold, the active temperature control side is operated, and the heating medium is supplied to the refrigerant flow path to heat the mold. By heating the mold, the nonwoven fabric is heated to a desired temperature. During this time, the operation relating to injection is in a standby state. In addition, the timing which heats a metal mold | die is not limited, In order to shorten a shaping | molding cycle, heating of a metal mold | die can also be started before installing a nonwoven fabric.
When the mold is heated to the specified temperature and the preheating of the nonwoven fabric is finished, the mold is closed (mold close), and the thermoplastic resin is injected into the cavity of the mold, and the holding pressure is maintained after the injection is completed. Perform for a predetermined time (injection + pressure holding). During this time, the active temperature adjustment side does not supply the coolant to the mold by allowing the coolant to flow in a separately provided bypass flow path. When preheating is completed, the active temperature control side switches the supplied medium to the cooling medium.
In the middle of the pressure holding or when the pressure holding ends, the injection side shifts to a cooling step (cooling). The active temperature control side forcibly cools the molded composite material by supplying a cooling medium to the coolant flow path of the mold.
As described above, by using active temperature control, the steps from preheating the nonwoven fabric to cooling can be performed efficiently and continuously. Although injection compression molding was not mentioned here, it goes without saying that combining active temperature control and injection compression molding is effective.
以上の予熱は、前述した浸透性および親和性の向上を図る以外に、不織布の型付けを行うのに利用することができる。例えば、円弧状断面を有する複合材を得たい場合には、不織布を予め円弧状に型付け（プリフォーム）した後に、射出成形することが好ましい。 The preheating described above can be used to mold the nonwoven fabric in addition to improving the permeability and affinity described above. For example, when it is desired to obtain a composite material having an arc-shaped cross section, it is preferable to perform injection molding after pre-molding the nonwoven fabric into an arc shape.
＜発泡成形＞
本発明は、浸透性および親和性の向上を図り、繊維強化複合材を高強度化する目的で、予熱に代えて、又は予熱とともに射出発泡成形を行うことが好ましい。
射出発泡成形を行う方法として、原料の熱可塑性樹脂ペレットに、アゾジカルボン酸アミドや重曹、クエン酸などの熱分解型の化学発泡剤を混合する化学発泡法と、ガス状もしくは超臨界状態の物理発泡剤を射出成形機のシリンダの途中で注入する物理発泡方法とが知られているが、本発明は両者を適用することができる。
<Foam molding>
In the present invention, it is preferable to perform injection foam molding instead of preheating or with preheating for the purpose of improving permeability and affinity and increasing the strength of the fiber-reinforced composite material.
For injection foam molding, chemical foaming methods, in which raw material thermoplastic resin pellets are mixed with pyrolytic chemical foaming agents such as azodicarboxylic acid amide, baking soda, and citric acid, and physical properties in gaseous or supercritical state, are used. Although a physical foaming method in which a foaming agent is injected in the middle of a cylinder of an injection molding machine is known, both can be applied to the present invention.
本発明において、射出発泡成形を適用することにより以下の作用、効果が期待される。
不織布内部にはそれぞれの強化繊維によって形成される空孔が存在する。不織布表面からこの内部の空孔へ熱可塑性樹脂は浸入しにくいが、発泡成形を適用することにより樹脂の流動末端部においても発泡圧により樹脂を不織布内に強制的に浸入させることができるので、浸透性の向上が図られる。
また、発泡剤により射出される樹脂を低粘度化することにより、不織布内への樹脂の浸入を促進させて、不織布に対する樹脂のアンカー効果を向上させる。したがって、不織布と樹脂との密着強度が向上し、繊維強化複合材の強度向上に寄与する。
さらに、射出発泡成形を行うと、射出される樹脂の粘度を低下させることで低圧射出を実現し、樹脂の充填時に不織布の所定位置からのズレ、不織布へのシワの発生を抑制する。
In the present invention, the following actions and effects are expected by applying injection foam molding.
There are pores formed by the respective reinforcing fibers inside the nonwoven fabric. Although it is difficult for the thermoplastic resin to penetrate from the nonwoven fabric surface into the internal pores, it is possible to force the resin to enter the nonwoven fabric by the foaming pressure at the flow end portion of the resin by applying foam molding, Improves permeability.
Further, by lowering the viscosity of the resin injected by the foaming agent, the penetration of the resin into the nonwoven fabric is promoted, and the anchor effect of the resin on the nonwoven fabric is improved. Therefore, the adhesion strength between the nonwoven fabric and the resin is improved, contributing to the strength improvement of the fiber reinforced composite material.
Furthermore, when injection foam molding is performed, low-pressure injection is realized by reducing the viscosity of the injected resin, and the occurrence of wrinkles on the nonwoven fabric and displacement from a predetermined position of the nonwoven fabric during filling of the resin is suppressed.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更を加えることができる。例えば、不織布の厚み方向に貫通孔を複数個設けることにより、不織布に対する熱可塑性樹脂の密着強度を向上できるといった効果を期待できる。貫通孔の代わりに、不織布の表面に突起を設けてもよい。 While the embodiments of the present invention have been described above, modifications can be made as appropriate within the scope of the gist of the present invention. For example, by providing a plurality of through holes in the thickness direction of the nonwoven fabric, it is possible to expect an effect that the adhesion strength of the thermoplastic resin to the nonwoven fabric can be improved. Instead of the through hole, a protrusion may be provided on the surface of the nonwoven fabric.
以下に示す試験条件の下、炭素繊維不織布を射出成形機の金型内に設置して射出成形を行い、炭素繊維不織布に熱可塑性樹脂が含浸された複合材を作製した。なお、炭素繊維不織布を用いることなく樹脂のみを射出成形する例を比較例１とした。また、射出成形については、表１に示す条件（圧縮量、圧縮速度、圧縮開始スクリュ位置）で、射出圧縮成形を適用した例も行った。なお、表１の圧縮開始スクリュ位置比率は以下の式（１）により定義される。
得られた複合材について、成形品厚み分布、重量平均繊維長及び引張強度の評価を行った。結果を表２に示す。なお、重量平均繊維長は、複合材の熱可塑性樹脂を加熱により除去した後に７００〜１０００本の炭素繊維を無作為に抽出して、上記の式に基づいて求めた。
圧縮開始スクリュ位置比率＝１−（圧縮開始位置／射出開始位置）…（１）
Under the test conditions shown below, the carbon fiber nonwoven fabric was placed in a mold of an injection molding machine and injection molded to produce a composite material in which the carbon fiber nonwoven fabric was impregnated with a thermoplastic resin. In addition, the example which carried out the injection molding of only resin, without using a carbon fiber nonwoven fabric was made into the comparative example 1. As for injection molding, an example in which injection compression molding was applied under the conditions shown in Table 1 (compression amount, compression speed, compression start screw position) was also performed. In addition, the compression start screw position ratio of Table 1 is defined by the following formula | equation (1).
About the obtained composite material, evaluation of molded product thickness distribution, weight average fiber length, and tensile strength was performed. The results are shown in Table 2. The weight average fiber length was determined based on the above formula by randomly extracting 700 to 1000 carbon fibers after removing the thermoplastic resin of the composite material by heating.
Compression start screw position ratio = 1- (compression start position / injection start position) (1)
［試験条件］
成形機：三菱重工プラスチックテクノロジー製射出成形機 ４５０ＭＥII−５０
金 型：要素試験用平板金型 （１８０×６００ｍｍ、厚み２．０ｍｍ）、中央ダイレクトゲート
炭素繊維不織布：炭素繊維不織布、目付量：２００ｇ／ｍ２、１５０×４００ｍｍ
ガラス不織布：ガラス繊維不織布、目付量：２００ｇ／ｍ２、１５０×４００ｍｍ
樹 脂：ＰＡ６ 東レ製 ＣＭ１０１７（熱可塑性樹脂）
金型温度：８０℃
[Test conditions]
Molding machine: Mitsubishi Heavy Industries Plastic Technology injection molding machine 450MEII-50
Mold: flat plate mold for element test (180 × 600 mm, thickness 2.0 mm), central direct gate Carbon fiber nonwoven fabric: carbon fiber nonwoven fabric, basis weight: 200 g / m 2 , 150 × 400 mm
Glass nonwoven fabric: Glass fiber nonwoven fabric, basis weight: 200 g / m 2 , 150 × 400 mm
Resin: PA6 Toray CM1017 (thermoplastic resin)
Mold temperature: 80 ℃
表に示される結果より、以下のことが判る。
射出成形により熱可塑性樹脂を炭素繊維不織布に含浸させることで、熱可塑性樹脂に比べて引張強度を格段に向上できる。
また、射出圧縮成形を適用することにより、通常の射出成形よりも複合材の引張強度を向上できる。これは、射出圧縮成形による複合材の炭素繊維の長さが射出圧縮成形のそれよりも長いことに基づいている。つまり、射出圧縮成形も含め、射出成形の際には繊維不織布に圧力が加わるので、不織布を構成する炭素繊維の中には折損して当初より短くなるものがある。しかしながら、射出圧縮成形は、通常の射出成形に比べて成形時の圧力が低いので、炭素繊維の折損の程度が軽微になる。その結果として、複合材中の炭素繊維の長さが通常の射出成形によるものより長くなり、引張強度が高い。
The following can be seen from the results shown in the table.
By impregnating the carbon fiber nonwoven fabric with the thermoplastic resin by injection molding, the tensile strength can be remarkably improved as compared with the thermoplastic resin.
Further, by applying injection compression molding, the tensile strength of the composite material can be improved as compared with normal injection molding. This is based on the fact that the carbon fiber length of the composite material by injection compression molding is longer than that of injection compression molding. That is, since pressure is applied to the fiber nonwoven fabric during injection molding, including injection compression molding, some of the carbon fibers constituting the nonwoven fabric break and become shorter from the beginning. However, injection compression molding has a lower pressure at the time of molding than normal injection molding, and therefore the degree of breakage of carbon fibers is small. As a result, the length of the carbon fiber in the composite material is longer than that by normal injection molding, and the tensile strength is high.
次に、射出圧縮成形の圧縮量によって、複合材の厚みのバラツキ及び重量平均繊維長が変動する。つまり、圧縮量が大きくなるにつれて複合材の厚みのバラツキが大きくなる。一方、重量平均繊維長については、２ｍｍの圧縮量のときにピークを示している。この結果より、高強度の複合材を高い精度で作製する場合には、圧縮量は１〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。なお、圧縮量に上記のようにピークが現れるのは、繊維を折損させる作用が圧縮量によって相違するためと解される。つまり、圧縮量が大きくなると、圧縮動作時の樹脂の変形量が大きくなることで繊維が折損するのに対して、圧縮量が小さくなると、樹脂の流れる流路が狭くなるのに伴って樹脂の流れ速度が速くなり、大きいせん断応力が発生して繊維が折損する。 Next, the thickness variation of the composite material and the weight average fiber length vary depending on the compression amount of the injection compression molding. That is, as the amount of compression increases, the thickness variation of the composite material increases. On the other hand, the weight average fiber length shows a peak when the compression amount is 2 mm. From this result, when a high-strength composite material is produced with high accuracy, the compression amount is preferably set to about 1 to 3 mm. Note that the peak appears in the compression amount as described above because the action of breaking the fiber differs depending on the compression amount. In other words, when the amount of compression increases, the amount of deformation of the resin during the compression operation increases and the fiber breaks.On the other hand, when the amount of compression decreases, the flow path of the resin narrows. The flow rate is increased, a large shear stress is generated, and the fiber breaks.
圧縮速度が速くなると、繊維長は短くなる傾向にある。試験した条件（圧縮速度）の中では１０ｍｍ／ｓのときに重量平均繊維長が最も長くなった。
また、射出速度による重量平均繊維長の影響については、７０ｃｃ／ｓｅｃと１００ｃｃ／ｓｅｃとでは有意差は見られない。
As the compression speed increases, the fiber length tends to decrease. Among the tested conditions (compression speed), the weight average fiber length was the longest at 10 mm / s.
Moreover, about the influence of the weight average fiber length by injection speed, a significant difference is not seen by 70 cc / sec and 100 cc / sec.
射出成形を開始する前に炭素繊維不織布を加熱（予熱）するか又は発泡成形することにより、引張強度が向上する。ただし、予熱の方法としては、アクティブ温調の方が、予熱温度を高くできることに加え、金型自体も加熱され熱くなっているために炭素繊維不織布の温度が低下しにくい。そのために、炭素繊維不織布と熱可塑性樹脂との親和性がより高いままで射出成形が行われ、アクティブ温調による複合材の引張強度が高いものと解される。また、発泡成形を適用することでも、炭素繊維不織布と熱可塑性樹脂との親和性を向上し、複合材の引張強度を向上できる。特に、アクティブ温調と発泡成形を組み合わせた例（実施例１５）は、熱可塑性樹脂が流れやすく、かつ冷えにくいため、厚みバラツキが小さくなり、引張強度も高い。
なお、発泡成形は、化学発泡剤（重曹系化学発泡剤、永和化成製発泡剤、ＥＥ２０５Ｄ）を２ｗｔ％だけ熱可塑性樹脂原料と混ぜて射出成形機のホッパーに投入しスクリュにて可塑化混合を行い射出成形機のノズルを通して、金型内に射出するものである。発泡成形を適用した実施例１５、１６による繊維強化複合材中には発泡成形に由来する０．０１〜０．１μｍの直径を有する空孔が観察された。また、予熱については、金型内の所定位置に設置された炭素繊維不織布を熱風で加熱する方法と、前述したアクティブ温調により金型を介して加熱する方法の２通りで行った。
The tensile strength is improved by heating (preheating) the carbon fiber nonwoven fabric or performing foam molding before starting the injection molding. However, as a preheating method, the active temperature control can increase the preheating temperature, and the mold itself is heated and heated, so that the temperature of the carbon fiber nonwoven fabric is less likely to decrease. Therefore, it is understood that injection molding is performed while the affinity between the carbon fiber nonwoven fabric and the thermoplastic resin is higher, and the composite material has high tensile strength by active temperature control. Also, by applying foam molding, the affinity between the carbon fiber nonwoven fabric and the thermoplastic resin can be improved, and the tensile strength of the composite material can be improved. In particular, in the example (Example 15) in which active temperature control and foam molding are combined, the thermoplastic resin is easy to flow and it is difficult to cool, so the thickness variation is small and the tensile strength is high.
For foam molding, 2% by weight of a chemical foaming agent (bicarbonate-based chemical foaming agent, Eiwa Kasei foaming agent, EE205D) is mixed with a thermoplastic resin raw material, put into a hopper of an injection molding machine, and plasticized and mixed with a screw. It is injected into the mold through the nozzle of the injection molding machine. In the fiber reinforced composite materials according to Examples 15 and 16 to which foam molding was applied, pores having a diameter of 0.01 to 0.1 μm derived from foam molding were observed. Preheating was performed in two ways: a method of heating a carbon fiber nonwoven fabric installed at a predetermined position in the mold with hot air, and a method of heating through the mold by the active temperature control described above.
実施例１８〜２０は、複数枚の炭素繊維ウェブを積層した不織布を用いたものである。実施例１８、１９は、上述した第１形態に対応するものであり、各炭素繊維ウェブ同士が接合された不織布を用いることで、図１（ａ）に示す形態の繊維強化複合材が得られた。実施例２０は、上述した第２形態に対応するものであり、２枚のウェブ同士は結合されているが、結合されたウェブ対同士は単純に積層された不織布を用いることで、図１（ｂ）に示す形態の繊維強化複合材が得られた。 Examples 18-20 use the nonwoven fabric which laminated | stacked the several carbon fiber web. Examples 18 and 19 correspond to the above-described first form, and a fiber-reinforced composite material having the form shown in FIG. 1A is obtained by using a nonwoven fabric in which the carbon fiber webs are joined to each other. It was. Example 20 corresponds to the above-described second form, and the two webs are joined together, but the joined web pairs are simply laminated using non-woven fabric as shown in FIG. A fiber-reinforced composite material having the form shown in b) was obtained.
１０…射出成形機
１１…固定金型、１２…可動金型、１３…キャビティ、１７…射出シリンダ
２０…固定機構、２２…固定ピン、２３…作動コラム
１００，２００，３００…繊維強化複合材
１０１，２０１，３０１…内層、１０３，２０３，３０３…外層
Ｎ，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３…不織布、Ｗ…ウェブ、ｎ１…ウェブ対
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記強化繊維を保持する射出成形により浸透された熱可塑性樹脂からなるマトリクスと、
を備え、
厚み方向の中央部に配置される内層と、
前記内層の前記厚み方向の両側に配置される外層と、を備え、
前記外層よりも前記内層に多く前記強化繊維が存在するか、又は、
前記内層よりも前記外層に多く前記強化繊維が存在する、
ことを特徴とする筐体用繊維強化複合材。 The fiber length includes 10 to 30 mm reinforcing fiber, the fiber length by weight average is 3 mm or more, and the reinforcing fiber derived from the nonwoven fabric,
A matrix made of a thermoplastic resin permeated by injection molding holding the reinforcing fibers;
Equipped with a,
An inner layer disposed in the center in the thickness direction;
An outer layer disposed on both sides of the inner layer in the thickness direction,
More reinforcing fibers are present in the inner layer than in the outer layer, or
More reinforcing fibers are present in the outer layer than in the inner layer,
Housing for a fiber reinforced composite material characterized by a crotch.
請求項１に記載の筐体用繊維強化複合材。 The volume ratio of the nonwoven fabric to the thermoplastic resin is 10 to 60%.
The fiber-reinforced composite material for a casing according to claim 1.
請求項１又は請求項２に記載の筐体用繊維強化複合材。 The amount of the reinforcing fibers per unit area of the nonwoven fabric is 40 to 500 g / cm 2 .
The fiber reinforced composite material for housing | casing of Claim 1 or Claim 2.
請求項１〜３のいずれか一項に記載の筐体用繊維強化複合材。 The non-woven fabric includes a plurality of through holes in the thickness direction.
The fiber reinforced composite material for housing | casing as described in any one of Claims 1-3.
請求項１〜４のいずれか一項に記載の筐体用繊維強化複合材。 The reinforcing fiber is derived from a plurality of laminated nonwoven fabrics,
The fiber reinforced composite material for housing | casing as described in any one of Claims 1-4 .
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の筐体用繊維強化複合材。 Pores derived from foam molding are present in the matrix,
The fiber reinforced composite material for housing | casing as described in any one of Claims 1-5 .
平面方向の任意の方向ａの引張強度をσａ、前記任意の方向ａに直交する方向ｂの引張強度をσｂとすると、
｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．１
を満足する請求項１〜６のいずれか一項に記載の筐体用繊維強化複合材。 The fiber reinforced composite material is
When the tensile strength in an arbitrary direction a in the plane direction is σa, and the tensile strength in a direction b orthogonal to the arbitrary direction a is σb,
| Σb−σa | /σa≦0.1
The fiber-reinforced composite material for a casing according to any one of claims 1 to 6 , which satisfies the following conditions.
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