JP5810201B2 - 繊維強化複合体、輸送機器構成用部材及び繊維強化複合体の製造方法 - Google Patents
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- B32B3/02—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
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- B32B5/14—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by a layer differing constitutionally or physically in different parts, e.g. denser near its faces
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- B32B5/16—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by features of a layer formed of particles, e.g. chips, powder or granules
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- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
- B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
- B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
- B32B5/245—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it being a foam layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
- B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
- B32B5/30—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being formed of particles, e.g. chips, granules, powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
この自動車、船舶、航空機などの輸送機器の中でも特に自動車分野においては、その構成用部材が軽量で、高い強度を有することが強く求められている。
この繊維強化複合体は、繊維強化樹脂材によって表層部に強度に優れた繊維強化樹脂層が形成されているとともに前記芯材によって優れた軽量性が発揮されることから自動車のルーフ、ボンネット、フェンダー、アンダーカバーなどの部材に用いられることが考えられる。
例えば、底面部と、該底面部の外縁から外広がりに立ち上がる側壁部とを備えたトレー形状を有する繊維強化複合体では、底面部と側壁部との境界部分において応力集中を生じ易く、特に内側のコーナー部分に応力集中を生じさせ易い。
そのため、繊維強化複合体や該繊維強化複合体が用いられてなる輸送機器構成用部材を強度に優れたものとする上において、このような部分への応力集中に対して予め対策を施しておくことが有効となる。
しかしながら、従来、繊維強化複合体に加わった応力が局所集中することに関しては、着目がされておらず、この応力集中に対する対策についても殆ど行われていない状況である。
本発明の繊維強化複合体は、樹脂発泡体からなる芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材とを備え、前記芯材の表面に前記繊維強化樹脂材が被覆されて繊維強化樹脂層が形成されている。
ここで前記芯材としては、例えば、樹脂発泡シートを熱成形した成形体や樹脂発泡ビーズを型内成形したビーズ発泡成形体が挙げられる。
まず、芯材が発泡シート製である場合を例にして、本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、この第1実施形態に係る繊維強化複合体を示した概略斜視図(a)、及び、概略断面図(b)、並びに、その変形例を示した概略斜視図(c)であり、該断面図(b)は、前記斜視図(a)におけるX−X線矢視断面の様子を示したものである。
図に示されているように、繊維強化複合体Aの芯材A1は、発泡シート1によって構成されたものである。
本実施形態に係る繊維強化複合体Aは、平面視における輪郭形状が略正方形で、4つの角部に丸みをもった正方形状の輪郭形状を有している。
そして、繊維強化複合体Aは、平面視における外周縁を周回するような形で側壁部が設けられており、前記輪郭形状よりも一回り小さな正方形状の底面部の外周縁から外広がりに立ち上がるような形で前記側壁部を有している。
従って、本実施形態に係る繊維強化複合体Aは、言い換えると、深さの浅い角盆形状を有している。
なお、以下においては、図1(a)における奥行き方向を長さ方向と称し、図1(a)における横方向を幅方向と称する。
前記芯材A1は、繊維強化複合体Aと略同形状を有し、繊維強化複合体Aの厚みを僅かに薄くした形状を有している。
即ち、前記芯材Aは、繊維強化複合体Aを平置き状態にした場合に略水平となる底面部Aaと、該底面部Aaの外周縁より所定の仰角にて外広がりに立ち上がる側壁部Abとを有している。
従って、前記芯材A1は、底面部Aaの表面と側壁部Abの表面とが180度未満の内角で隣り合わせになっており、コーナー部Acが備えられている。
即ち、本実施形態の前記芯材A1は、底面部Aaを形成している部位と側壁部Abを形成している部位との2つの部位がコーナー部Acを介して隣合っている。
また、本実施形態の繊維強化複合体Aは、芯材A1が、前記側壁部Abの上端縁から外向きに短く延びる鍔部Adを備えている。
なお、図1では、芯材A1の両面に繊維強化樹脂層A2、A2が積層されており、前記鍔部Adの外側端面以外において、芯材のA1の略全面が繊維強化樹脂材で覆われている繊維強化複合体Aを示しているが、本実施形態の繊維強化複合体Aは、芯材A1の片面にのみ繊維強化樹脂層A2が備えられていてもよい。
図1(c)に示した変更例に係る繊維強化複合体Aは、平面視における輪郭形状が長方形で、該長方形の長辺に沿って形成された側壁部を有するトレー形状を有している。
ただし、この変更例に係る繊維強化複合体Aは、図1(a)に例示のものとは異なり平面視における外周縁を周回するような形で前記側壁部が設けられてはおらず、短辺に沿った部位においては側壁部が形成されてはいない。
従って、この変更例に係る繊維強化複合体Aは、言い換えると、深さの浅い樋形状を有している。
なお、以下においては、前記長方形の長辺に沿った方向(図1(c)における奥行き方向)を長さ方向と称し、短辺に沿った方向(図1(c)における横方向)を幅方向と称する。
そして、この変更例に係る繊維強化複合体Aは、その幅方向に沿って切断した際の断面形状(図1(c)Y−Y線矢視断面)が図1(b)と同様になるように形成されている。
この変形例における前記芯材A1は、繊維強化複合体Aと略同形状を有し、繊維強化複合体Aの厚みを僅かに薄くした形状を有している。
即ち、前記芯材Aは、繊維強化複合体Aを平置き状態にした場合に略水平となる底面部Aaと、該底面部Aaの幅方向両端部より所定の仰角にて外広がりに立ち上がる側壁部Abとを有している。
従って、前記芯材A1は、底面部Aaの表面と側壁部Abの表面とが180度未満の内角で隣り合わせになっており、コーナー部Acが備えられている。
即ち、本実施形態の前記芯材A1は、底面部Aaを形成している部位と側壁部Abを形成している部位との2つの部位がコーナー部Acを介して隣合っている。
一方で底面部Aaの長さ方向両端部においては、側壁部が形成されていないためコーナー部は形成されていない。
なお、この変更例に係る繊維強化複合体Aは、芯材A1が、前記側壁部Abの上端縁から外向きに短く延びる鍔部Adを備えている点、及び、芯材A1の両面に繊維強化樹脂層A2、A2が積層されており、前記鍔部Adの外側端面以外において、芯材のA1の略全面が繊維強化樹脂材で覆われている点において図1(a)に例示のものと共通している。そして、この変更例に係る繊維強化複合体Aは、芯材A1の片面にのみ繊維強化樹脂層A2が備えられていてもよい点においても図1(a)に例示のものと共通している。
なお、発泡シートを芯材とした繊維強化複合体Aは、上記に例示したようなトレー形状のものだけでなく、例えば、平坦なシート体が折り曲げ加工されたような形状のものや、全体が階段状となるように線状のコーナー部を複数並列配置させたようなものであっても良い。
発泡シートを構成する樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリメタクリルイミド樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などが挙げられる。
該発泡シートを構成する樹脂は、繊維強化樹脂層A2を構成する樹脂と親和性に優れることが好ましい。
従って、先に例示のものの中では、多くの種類の樹脂との間に優れた親和性を示すものが発泡シートを構成する樹脂として好ましく、該樹脂は、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂などが好ましい。
なお、発泡シートは、単独種類の樹脂で構成される必要はなく、2種類以上の樹脂を含む混合樹脂によって構成されてもよい。
熱可塑性ポリエステル樹脂としては、例えば、芳香族ポリエステル樹脂、脂肪族ポリエステル樹脂が挙げられる。
なお、芳香族ポリエステル樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
ポリ乳酸系樹脂としては、乳酸がエステル結合により重合した樹脂を用いることができ、商業的な入手容易性及びポリ乳酸系樹脂発泡粒子への発泡性付与の観点から、D−乳酸(D体)及びL−乳酸(L体)の共重合体、D−乳酸又はL−乳酸のいずれか一方の単独重合体、D−ラクチド、L−ラクチド及びDL−ラクチドからなる群から選択される1又は2以上のラクチドの開環重合体が好ましい。なお、ポリ乳酸系樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
本実施形態における芯材A1は、例えば、繊維強化樹脂材との積層前に予め賦形されたものであっても、繊維強化樹脂材との積層後に繊維強化樹脂材とともに賦形されたものであってもよい。
真空成形法、圧空成形法及び圧縮成形法を応用した熱成形方法として、例えば、ストレート成形法、ドレープ成形法、プラグアシスト成形法、プラグアシスト・リバースドロー成形法、エアスリップ成形法、スナップバック成形法、リバースドロー成形法、プラグアシスト・エアスリップ成形法、マッチモールド成形法、プレス成形法、SMC成形法及び、これらの成形法を組み合わせた熱成形方法が挙げられ、成形性に乏しい繊維強化樹脂材を使用しても外観の良好な繊維強化複合体を得ることができるので、プレス成形法、マッチモールド成形法が好ましい。
また、本実施形態の繊維強化複合体Aは、コーナー部Acにおける芯材A1の厚みが該コーナー部Acを介して隣り合う前記底面部Aa及び前記側壁部Abよりも厚くなっている。
また、一般的な繊維強化複合体の製造方法においては、繊維強化樹脂材との積層一体化に際して芯材が圧縮されるため、この扁平率はさらに小さなものとなっている。
即ち、前記コーナー部Acは、例えば、前記側壁部Abが起立する方向に応力が加わった場合には、内側の繊維強化樹脂層A2が屈曲する方向に変形される結果として内側から厚み方向に向けて圧縮される形で応力を受け易い箇所である。
また、前記コーナー部Acは、前記側壁部Abが倒伏する方向に応力が加わった場合には、面方向に伸長される形で応力を受け易い箇所である。
また、芯材の気泡の扁平率が一定以上であるとは、芯材が平面方向に延伸された場合に、該方向に気泡が変形し易いことを意味し、気泡膜が破れ難いことを意味する。
なお、当該効果をより顕著に発揮させる上において、少なくとも、コーナー部Acの内で最も曲率半径の小さな高度賦形部において上記要件が満たされていることが好ましい。
コーナー部Acの内で最も曲率半径の小さな高度賦形部などにおける芯材Aの厚みが薄く、コーナー部Acの表面から2.5mm深さに達するまでに芯材を貫通してしまうような場合においては、該芯材を貫通するまでの全区間における気泡の扁平率が20%以上であることが好ましい。
なお、全てのコーナー部において表面から2.5mm深さに達するまでに反対面まで貫通してしまうような薄手の芯材の場合は、全てのコーナー部の内の少なくとも一部が全区間における気泡の扁平率を20%以上としていることが好ましく、全てのコーナー部が深さ方向全区間における気泡の扁平率を20%以上としていることがより好ましい。
一方、繊維強化複合体Aにおいて、高度賦形部Bの芯材A1の気泡扁平率は、大きすぎると、高度賦形部の気泡が外力に対して柔軟に変形できなくなって芯材の柔軟性が低下し、繊維強化樹脂層と芯材とが剥離しやすくなって繊維強化複合体の機械的強度が低下するので、95%以下が好ましく、90%以下がより好ましい。
図3に示したように、繊維強化複合体Aにおいて、発泡シート1の熱成形前後において発泡シートの形状が変化した部分を対象として繊維強化複合体Aの繊維強化樹脂層A2表面の曲率半径を測定する。
なお、繊維強化樹脂層A2表面の曲率半径は、曲率半径を有する部分を測定部分として切り出し、測定部分をその表面に対して直交する平面にて全長に亘って切断する。
この時、切断面において、繊維強化樹脂層A2表面の曲率半径が最小となるように測定部分を切断する。切断面を電子顕微鏡にて観察し、曲率半径を有する部分の曲線に適合する円を想定することで決定する。
繊維強化複合体Aを5個用意し、各繊維強化複合体Aの同一部分について繊維強化樹脂層A2表面の曲率半径を測定し、これら曲率半径の相加平均値を当該部分の曲率半径とする。そして、繊維強化樹脂層A2表面のうち、最も小さな曲率半径を有する表面S1の両端S11、S11から繊維強化樹脂層A2の表面に対して垂直な仮想線N、Nを繊維強化複合体Aの厚みの全長に亘って描き、繊維強化樹脂層A2の表面S1とは反対側の繊維強化樹脂層A2の表面S2と、仮想線N、Nとの交点S21、S21を定める。
両端をS11、S11とする表面S1と、両端をS21、S21とする表面S2と、仮想線N、Nとで囲まれた部分を高度賦形部Bとする。高度賦形部Bの芯材A1の厚みT2とは、上記表面S1の中間点における芯材A1の厚みをいう。
なお、高度賦形部Bの芯材A1の厚みを定めるにあたって、全長の全てが高度賦形部Bの芯材A1内に入っている直線Lの長さT0のみを対象とする。
図3において、繊維強化複合体Aの層構成は省略した。
繊維強化樹脂層A2との界面に対して直交する平面で芯材A1を切断する。
この切断面を倍率200倍にて拡大写真を撮影する。
拡大写真にあらわれた芯材A1の気泡のうち、表面から2.5mmまでの領域の気泡を無作為に30個抽出する。
また、表面から2.5mm深さに到達する前に前記表面とは反対側の面にまで到達してしまう薄手の芯材にあっては、この反対面に到達するまでの全領域から気泡を無作為に30個抽出する。
なお、厚みの薄い発泡シートが芯材として用いられているような場合で、例えば、高度賦形部などにおける気泡数が30未満となっている場合は、この30未満の気泡の全てによって扁平率を求めることとする。
これら30個の気泡について、気泡の輪郭上の任意の二点を結ぶ直線のうち、最も長い直線C1を定める。
次に、気泡の輪郭上の任意の二点を結び且つ上記直線C1に対して直交する最も長い直線C2を定め、各気泡において、気泡の扁平率を下記の式に基づいて算出し、各気泡の扁平率の相加平均値を気泡扁平率とする。
なお、繊維強化複合体Aの切断は、例えば、マキタ社から商品名「LS1213」にて市販されているスライド切断機に切断刃(谷テック社製 商品名「レーザービームソー LBS AURORA260Z」)を取り付けて行うことができる。
切断面の拡大写真は、キーエンス社から商品名「デジタルマイクロスコープ VHX−1000」にて市販されている電子顕微鏡を用いることができる。
気泡の扁平率(%)=100×(直線C2の長さ)/(直線C1の長さ)
芯材A1の表面に非発泡層が形成されていることによって、芯材A1と繊維強化樹脂層A2とが互いに芯材A1の非発泡層によって強固に一体化し、繊維強化複合体Aは優れた機械的強度を発揮する。
また、その見掛け密度は、0.05〜1.2g/cm3が好ましく、0.08〜0.9g/cm3がより好ましい。
なお、発泡体の密度は、JIS K7222「発泡プラスチック及びゴム−見掛け密度の測定」に準拠して測定された値をいう。繊維強化複合体Aにおける芯材A1の見掛け密度の測定は、繊維強化複合体Aから繊維強化樹脂層A2を剥離した後の芯材に基づいて行う。
芯材となる樹脂発泡体の製造方法としては、具体的には、(1)合成樹脂発泡粒子を金型内に充填し、熱水や水蒸気などの熱媒体によって合成樹脂発泡粒子を加熱して発泡させ、合成樹脂発泡粒子の発泡圧によって発泡粒子同士を融着一体化させて所望形状を有する発泡体を製造する方法(型内発泡成形法)、(2)合成樹脂を押出機に供給して化学発泡剤又は物理発泡剤などの発泡剤の存在下にて溶融混練し押出機から押出発泡させて発泡体を製造する方法(押出発泡法)、(3)合成樹脂及び化学発泡剤を押出機に供給して化学発泡剤の分解温度未満にて溶融混練し押出機から発泡性樹脂成形体を製造し、この発泡性樹脂成形体を発泡させて発泡体を製造する方法などが挙げられる。
このなかで、発泡シートを得るための方法としては、上記(2)の押出成形法が好ましい。
前記、強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、玄武岩繊維、セラミックス繊維などの無機繊維;ステンレス繊維やスチール繊維などの金属繊維;アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサドール(PBO)繊維などの有機繊維;ボロン繊維などが挙げられる。
強化繊維は、一種単独で用いられてもよく、二種以上が併用されてもよい。
なかでも、炭素繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維が好ましく、炭素繊維がより好ましい。これらの強化繊維は、軽量であるにも関わらず優れた機械的物性を有している。
強化繊維基材としては、強化繊維を用いてなる織物、編物、不織布、及び強化繊維を一方向に引き揃えた繊維束(ストランド)を糸で結束(縫合)してなる面材などが挙げられる。
織物の織り方としては、平織、綾織、朱子織などが挙げられる。
また、糸としては、ポリアミド樹脂糸やポリエステル樹脂糸などの合成樹脂糸、及びガラス繊維糸などのステッチ糸が挙げられる。
複数枚の強化繊維基材を積層した積層強化繊維基材としては、(1)一種のみの強化繊維基材を複数枚用意し、これらの強化繊維基材を積層した積層強化繊維基材、(2)複数種の強化繊維基材を用意し、これらの強化繊維基材を積層した積層強化繊維基材、(3)強化繊維を一方向に引き揃えた繊維束(ストランド)を糸で結束(縫合)してなる強化繊維基材を複数枚用意し、これらの強化繊維基材を繊維束の繊維方向が互いに相違した方向を指向するように重ね合わせ、重ね合わせた強化繊維基材どうしを糸で一体化(縫合)してなる積層強化繊維基材などが用いられる。なお、糸としては、ポリアミド樹脂糸やポリエステル樹脂糸などの合成樹脂糸、及びガラス繊維糸などのステッチ糸が挙げられる。
強化繊維に含浸させる樹脂としては、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の何れも用いることができる。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂とを予備重合した樹脂などが挙げられ、耐熱性、衝撃吸収性又は耐薬品性に優れていることから、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が好ましい。
繊維強化樹脂シートには、熱硬化性樹脂を硬化させるための硬化剤や硬化促進剤を含有させても良く、その他の添加剤が含有されていてもよい。
なお、熱硬化性樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
具体的には、エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールフルオレン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、環状脂肪族型エポキシ樹脂、長鎖脂肪族型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂などが挙げられ、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールフルオレン型エポキシ樹脂が好ましい。
なお、エポキシ樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
なお、熱可塑性樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
ジオールは、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。ジイソシアネートとしては、例えば、芳香族ジイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、脂環式ジイソシアネートが挙げられる。ジイソシアネートは、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。なお、熱可塑性ポリウレタン樹脂は、単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。
樹脂の含有量が少なすぎると、強化繊維どうしの結着性や繊維強化樹脂層A2と芯材A1との接着性が不十分となり、繊維強化樹脂層A2の機械的物性や繊維強化複合体Aの表面硬度又は曲げ弾性率を十分に向上させることができない虞れがある。
また、樹脂の含有量が多すぎる場合も、繊維強化樹脂層A2の機械的物性が低下して、繊維強化複合体の表面硬度又は曲げ弾性率を十分に向上させることができない虞れがある。
厚みが上記範囲内である繊維強化樹脂層は、軽量であるにも関わらず機械的物性に優れている。
目付が上記範囲内である繊維強化樹脂層は、軽量であるにも関わらず機械的物性に優れている。
以下においては、熱成形法としてプレス成形を用いた場合を例示するが、繊維強化複合体Aの製造方法としてはプレス成形法を用いた場合に限定されるものではない。
本実施形態の維強化複合体Aは、単なる板状で2次元的な発泡シート1をこの第2工程において立体形状を有する状態とすることができる。
また、本実施形態においては、この第2工程で繊維強化樹脂材によって被覆されている表面が180度未満の内角で隣り合わせになっているコーナー部を有する芯材を備えた繊維強化複合体を作製することができる。
発泡シート1と繊維強化樹脂材2との仮接着は、繊維強化樹脂材2に含浸させている樹脂によって行ってもよいし、別途用意した公知の接着剤を用いてもよい。
なお、発泡シート1と繊維強化樹脂材2との仮接着は、後続する工程の熱成形時において、繊維強化樹脂材2が発泡シート1上において自由に移動可能となるように行うことが好ましい。
なお、発泡シート1と繊維強化樹脂材2との仮接着力は、JIS K6850(1999)に準拠して、予備成形体から切り出したものを試験片とし、試験速度10mm/分にて測定されたせん断引張力をいう。
なお、発泡シート1と繊維強化樹脂材2との仮接着力は、小型卓上試験機(日本電産シンポ社製 商品名「FGS1000TV/1000N+FGP−100」)を用いて測定することができる。
離型フィルムを構成する合成樹脂としては、繊維強化樹脂材2及び雌雄金型に対して剥離性を有しておれば、特に限定されず、例えば、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(4フッ化エチレン−エチレン共重合体)などのフッ素系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂などが挙げられる。
即ち、発泡シート1を把持することによって予備成形体Mの発泡シート1及び繊維強化樹脂材2は、所望形状に正確にプレス成形され得る。
逆に、発泡シート1が加熱によって膨張する場合には、発泡シート1の膨張によるドローダウンを防止するために発泡シート1を引っ張ることによって発泡シート1に皺などが発生するのを防止し、発泡シート1が雌雄金型41、42に対して皺などを発生させることなく正確な位置に配設されるように保持する。
又、発泡シート1が加熱によって膨張又は収縮を生じない場合も、発泡シート1を把持しておくことによって、発泡シート1がプレス成形時に雌雄金型41、42の接合面内に引き込まれるのを防止して、発泡シート1を皺なく正確にプレス成形できるようにする。
又、発泡シート1を把持する位置は、上記目的が達成されるのであれば、特に限定されず、例えば、発泡シート1の対向する外周縁部や、発泡シートの四方外周縁部などが挙げられる。
このとき予備成形体Mの加熱によって繊維強化樹脂材2中に含浸されている樹脂を軟化させる。
この繊維強化樹脂材2が未硬化の熱硬化性樹脂を含む場合は、未硬化の熱硬化性樹脂を軟化させて硬化させることなく流動性を有する状態とすることが好ましい。
熱硬化性樹脂は、加熱によって熱硬化する前に流動性を有する状態となるので、この流動性を有する状態を維持するように温度制御する。
強化用合成樹脂が熱可塑性樹脂を含む場合、熱可塑性樹脂が流動性を有する状態となるように温度制御する。
なお、予備成形体Mの加熱手段は、赤外線ヒータなどの公知の加熱装置を用いればよい。
従って、繊維強化樹脂材に含まれる樹脂(繊維強化樹脂材が複数種類の樹脂を含む場合は、主成分たる樹脂)のガラス転移温度をTg(℃)とした場合、予備成形体Mの加熱温度は、(Tg−60℃)〜(Tg+80℃)が好ましく、(Tg−50℃)〜(Tg+70℃)がより好ましい。
なお、この加熱温度とは、予備成形体Mの表面温度をいう。
なお、金型は、雌型41及び雄型42を閉じた場合にこれらの間にキャビティ43が形成され、このキャビティ43内に予備積層体Mが配設された状態となるように形成されている。
このことにより型締時において、雌雄金型41、42の熱成形面41a、42aと予備積層体Mとの間に余剰空間44(以下「発泡空間部44」ともいう)が形成されることになる。
そして、少なくとも前記コーナー部Acとなる部位に発泡剤が含有されている発泡シート1を前記第2工程で用いることにより、該第2工程では、少なくともこの発泡空間部44の容積分だけ発泡シート1を2次発泡させることができる。
このことにより前記芯材A2は、コーナー部Acの気泡が丸みを帯びた状態となり、該コーナー部の表面から2.5mm深さまでの気泡の扁平率が20%以上となる。
しかしながら、本実施形態においては、発泡シートが発泡剤を含んでおり、発泡シートに2次発泡を生じさせることができる。
しかも、この2次発泡により、コーナー部Acにおける厚みを底面部Aaや側壁部Abにおける厚みよりも厚くさせることができる。
このように各部位に所定の厚みを付与させ易い点において第2工程は、間に所定形状のキャビティが形成される雌雄金型41、42を用いて実施することが好ましい。
即ち、所定形状のキャビティが形成される雌雄金型41、42を用い、且つ、発泡剤を含有する発泡シートを用いて第2工程を実施することで、芯材A1と繊維強化樹脂層A2との密着性に優れ、且つ、金型の成形面の形状が忠実に反映された繊維強化複合体を得られ易くなるという効果が発揮される。
更に、芯材は、その気泡が真球に近い形態になればなるほど外力に対する変形の自由度を向上させることができる。
従って、本実施形態の繊維強化複合体は、外部からの変形力に対して優れた追従性を有する。
発泡シートから一辺が15cmの平面正方形状の試験片を切り出す。
試験片の厚みを任意の9箇所において測定し、その相加平均値を加熱前厚みt1とする。
次に、試験片をその表面温度が150℃となるように1分間に亘って加熱した後、25℃にて60分間に亘って放置する。
しかる後、試験片の厚みを任意の9箇所において測定し、その相加平均値を加熱後厚みt2とする。
加熱前厚みt1及び加熱後厚みt2に基づいて下記式により発泡シートの加熱厚み膨張率を算出する。
発泡シートにおける150℃での1分間加熱厚み膨張率(%)
=100×(t2−t1)/t1
即ち、発泡シートに含まれている発泡剤量を多くすることによって発泡シートの加熱厚み膨張率を高くすることができる。
又、発泡シートを結晶化度が低い状態にすることによって発泡シートの加熱厚み膨張率を高くすることができる。
先ず、発泡シート全体の質量(W1)を測定する。
次に、発泡シート中における発泡剤量(W2)を測定する。
発泡シートから採取した試料10〜30mgを20mLバイアル瓶に入れて精秤し、バイアル瓶を密閉してオートサンプラー付ガスクロマトグラフにセットし、バイアル瓶を210℃で20分間に亘って加熱した後、バイアル瓶の上部空間の気体をMHE(Multiple Headspace Extraction)法にて定量分析し、発泡シート中の発泡剤量(W2)を測定する。
〔GC測定条件〕
測定装置:ガスクロマトグラフ Clarus500(Perkin−Elmer社製)
カラム:DB−1(1.0μm×0.25mmφ×60m:J&W社製)
検出器:FID
GCオーブン昇温条件:初期温度50℃(6分)
昇温速度:40℃/分(250℃まで)
最終温度:250℃(1.5分)
キャリアーガス(He),注入口温度:230℃,検出温度:310℃
レンジ:20
ベントガス 30mL/分(He)、追加ガス 5mL/分(He)
ガス圧力:初期圧力18psi(10分)、昇圧速度:0.5psi/min(24psiまで)
〔HS測定条件〕
測定装置:HSオートサンプラー TurboMatrix HS40(Perkin−Elmer社製)
加熱温度:210℃,加熱時間:20分,加圧ガス圧:25psi,加圧時間:1分
ニードル温度:210℃,トランスファーライン温度:210℃,試料導入時間:0.08分
〔算出条件〕
検量線用標準ガス:混合ガス(ジーエルサイエンス社製)
混合ガス含有量:i−ブタン 約1質量%,n−ブタン 約1質量%,バランス 窒素
算出方法:MHE法により試料の発泡剤含有量を算出する。
結果は全てi−ブタン換算量とする。
発泡シート中における発泡剤量(質量%)=100×W2/W1
例えば、押出発泡直後の発泡シートの冷却速度を速くすればするほど得られる発泡シートの結晶化度を低くさせることができる。
発泡シートから切り出した好ましくは直方体形状の試料をアルミニウム製の測定容器の底に隙間のないように約6mg充填して、試料を窒素ガス流量30mL/分の条件下にて30℃で2分間に亘って保持する。
その時の基準物質はアルミナを用いる。
発泡シートが熱可塑性ポリエステル樹脂製である場合、当該発泡シートの結晶化度は、融解ピークの面積から求められる融解熱量(mJ/mg)と結晶化ピークの面積から求められる結晶化熱量(mJ/mg)の差を合成樹脂の完全結晶の理論融解熱量ΔH0で徐して求められる割合となる。
例えば、ポリエチレンテレフタレートのΔH0は140.1mJ/mgである。
発泡シートの結晶化度は下記式に基づいて算出される。
発泡シートの結晶化度(%)
=100×(│融解熱量(mJ/mg)│−│結晶化熱量(mJ/mg)│)/ΔH0(mJ/mg)
よって、発泡シート1の気泡ができるだけ真球に近い形態となり、圧縮強度などの機械的強度及び外部からの変形力に対する追従性において優れた繊維強化複合体を得る上において、非発泡層を有する発泡シート1を採用することが好ましい。
なお、非発泡層の厚みは、発泡シート1の表面に対して直交する方向における非発泡層の厚みをいう。
非発泡層の平均厚みとは、非発泡層の最小厚みと最大厚みの平均値をいう。
得られた繊維強化複合体Aは、熱可塑性樹脂又は硬化した熱硬化性樹脂によって強化繊維どうしが強固に結着され且つ雌雄金型41、42の熱成形面41a、42aに沿って所望形状に成形された繊維強化樹脂層A2が芯材A1の表面に沿って略全面的に密着した状態に積層一体化されている。
なお、図8においては、繊維強化樹脂層A2上に離型フィルム3が積層された状態を示したが、離型フィルム3は、必ずしも用いる必要はない。
なお、上記においては主に芯材が発泡シートである場合を例にして繊維強化複合体について説明したが、本実施形態においては、型内成形によって複数の熱可塑性樹脂発泡粒子どうしが熱融着されて賦形された樹脂発泡体(ビーズ発泡成形体)なども好ましい前記芯材として挙げることができる。
該繊維強化複合体Aは、芯材A1の全面を覆う形で繊維強化樹脂層A2が備えられている。
該繊維強化複合体Aは、図9に示すように平面視(上面視)における輪郭形状が概ね縦長な矩形状となっている。
より具体的には、図9正面視左側における輪郭形状が直線的になっている一方で正面視右側における輪郭形状は外向き(右側)にやや膨らんだ形状を有し、全体的な輪郭形状はアルファベット大文字の“D”字状となっている。
該繊維強化複合体Aは、平面視における外縁部以外を凹入させており、図11に示したように凹部100の底面を構成する底面部110と、前記底面の外縁から立ち上がる側面を構成する側壁部120とを備え、全体形状がトレー状となっている。
この底面部110は、繊維強化複合体Aの底面の様子を示した図10に示されているように、前記凹部100の凹入方向とは逆向きに凹入した第2凹部140が形成されて薄肉部150が形成されている。
即ち、本実施形態に係る芯材A1も第1実施形態における繊維強化複合体Aの場合と同様に底面部Aa、側壁部Ab、及び、コーナー部Acを有している。
なお、芯材や繊維強化樹脂層を形成させるための材質などについては、第1実施形態の繊維強化複合体と共通するため、ここでは繰り返しては説明を行わない。
また、芯材A1がこのような樹脂発泡体である場合、コーナー部Acにおける芯材の厚みが、隣接する底面部Aaや側壁部Abよりも厚く形成されていることが好ましい点についても芯材が発泡シートである場合と同様である。
即ち、第2実施形態においても第1実施形態と同様に強度に優れた繊維強化複合体を得ることができる。
(実施例1)
ポリエチレンテレフタレート(PET、三井化学社製 商品名「SA135」、ガラス転移温度Tg:79℃、融点:247.1℃、IV値:0.86)100質量部、タルク0.72質量部、及び、無水ピロメリット酸0.2質量部を含む熱可塑性ポリエステル系樹脂組成物を口径が65mmで且つL/D比が35の単軸押出機に供給して290℃にて溶融混練した。
前記積層シートは、2枚の繊維強化樹脂シートをエポキシ樹脂によって一体化させる形で作製した。上述の同一の要領で、更に一枚の積層シートを作製した。
プレス成形時、予備成形体Mが140℃となるように保持し、繊維強化樹脂材2に含まれているエポキシ樹脂が硬化することなく流動性を保持するように制御した。
なお、ポリエチレンテレフタレート発泡シート及び繊維強化樹脂層の一部を不要部分として切除した。
得られた繊維強化複合体Aは、硬化した熱硬化性樹脂によって強化繊維どうしが結着され且つ雌雄金型41、42に沿って所望形状に成形された厚み0.46mm、目付400g/m2の繊維強化樹脂層A2がポリエチレンテレフタレート発泡シート1の両面に沿って全面的に密着した状態に積層一体化されていた。
繊維強化複合体Aの断面は、図1に示すように状態になっていた。
繊維強化複合体Aは、平面長方形状の底面部と、この底面部の四方外周縁から外側斜め上方に向かって延設された平面四角枠状の側壁部とを有していた。
繊維強化複合体Aの側壁部上端は、縦220mm×横120mmの平面長方形状に形成されており、繊維強化複合体Aの内底面から側壁部の上端までの高さは18mmであった。
アクリル系樹脂を含み且つ両面全面に非発泡層を有する発泡シート(発泡倍率10倍、積水化成品工業社製 製品名「フォーマック #1000グレード」、発泡剤となる尿素量:6.3質量%)を発泡シートとして用意した。
発泡シートの両面から非発泡層を切断、除去して、両面全面に気泡断面を露出させた発泡シートを得た。
まず、スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(PSジャパン社製 商品名「MM290」、スチレン成分の含有量:84質量%、メタクリル酸成分の含有量:11質量%、メタクリル酸メチル成分の含有量:5質量%、ガラス転移温度:130℃)にタルクを含有させてなるマスターバッチ(スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体含有量:60質量%、タルク含有量:40質量%)を用意した。
熱可塑性ポリエステル系樹脂組成物の代わりに、スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(PSジャパン社製 商品名「MM290」、スチレン成分の含有量:84質量%、メタクリル酸成分の含有量:11質量%、メタクリル酸メチル成分の含有量:5質量%、ガラス転移温度:130℃)100質量部と、前記マスターバッチ1.0質量部とを含むポリスチレン系樹脂組成物を単軸押出機に供給し、ブタンをスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体100質量部に対して1.9質量部となるように単軸押出機に圧入してポリスチレン系樹脂発泡シートを製造したこと以外は実施例1と同様にして繊維強化複合体Aを得た。
ポリエチレンテレフタレート発泡シートを製造直後、室温25℃にて8カ月に亘って養生させたこと以外は実施例1と同様にして繊維強化複合体を得た。
発泡シートの非発泡層を除去しなかったこと以外は実施例2と同様にして繊維強化複合体を得た。
ポリエチレンテレフタレート発泡シートを製造直後、室温18℃にて6時間に亘って養生させたこと以外は実施例1と同様にして繊維強化複合体を得た。
アクリル系樹脂を含み且つ両面全面に非発泡層を有する発泡シート(発泡倍率10倍、積水化成品工業社製 製品名「フォーマック #1000グレード」、発泡剤となる尿素量:8.0質量%)を発泡シートとして用いたこと以外は実施例2と同様にして繊維強化複合体を得た。
ポリスチレン系樹脂発泡シートを製造直後、室温18℃にて6時間に亘って養生させたこと以外は実施例3と同様にして繊維強化複合体を得た。
ポリエチレンテレフタレート発泡シートを製造直後、室温40℃にて3カ月に亘って養生したこと以外は実施例1と同様にして繊維強化複合体を得た。
アクリル系樹脂を含み且つ両面全面に非発泡層を有する発泡シート(発泡倍率15倍、積水化成品工業社製 製品名「フォーマック #1500グレード」)を発泡シートとして用いたこと以外は実施例2と同様にして繊維強化複合体を得た。
円筒状体を冷却マンドレルに供給して表面温度が65℃となるように冷却したこと、及び、プレス成形時において積層体Mを130℃になるように加熱、保持したこと以外は実施例1と同様にして繊維強化複合体を得た。
繊維強化複合体をその開口部(壁部の上端縁)を下方に向けた状態にして水平な載置面上に載置した。繊維強化複合体の内底面の中央部と載置面との間の間隔が8mmとなるまで底部の中央部を下方に向かって押圧し、この状態における圧縮強度を測定した。得られた圧縮強度を繊維強化複合体の質量で除して単位重さ圧縮強度を算出した。繊維強化複合体を合計10個用意し、各繊維強化複合体について上述の要領で単位重さ圧縮強度を算出し、これらの単位重さ圧縮強度の相加平均値を採用した。単位重さ圧縮強度は、500kPa/g以上が好ましく、600kPa/g以上がより好ましい。
2 繊維強化樹脂材
3 離型フィルム
41 金型(雌型)
42 金型(雄型)
43 キャビティ
44 発泡空間部
A 繊維強化複合体
A1 芯材
A2 繊維強化樹脂層
B 高度賦形部
M 予備成形体
Claims (4)
- 樹脂発泡体からなる芯材と、
樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材とを備え、
前記芯材の表面に前記繊維強化樹脂材が被覆されて繊維強化樹脂層が形成されている繊維強化複合体であって、
前記芯材は、立体形状を有し、繊維強化樹脂材によって被覆されている表面が180度未満の内角で隣り合わせになっているコーナー部を有しており、
且つ、前記芯材は、発泡シートが熱成形されたもので、該熱成形によって形成された前記コーナー部を備え、該コーナー部における厚みが、該コーナー部を介して隣り合う部位よりも厚く、前記コーナー部の表面から2.5mm深さまでの気泡の扁平率が20%以上である繊維強化複合体。 - 前記発泡シートが、表層に非発泡層を備えている請求項1記載の繊維強化複合体。
- 請求項1又は2に記載の繊維強化複合体が用いられてなる輸送機器構成用部材。
- 樹脂発泡体からなる芯材と、
樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材とを備え、
前記芯材の表面に前記繊維強化樹脂材が被覆されて繊維強化樹脂層が形成されている繊維強化複合体を作製するための繊維強化複合体の製造方法であって、
前記芯材の表面に前記繊維強化樹脂材を積層して予備成形体を作製する第1工程、及び、
加熱状態にした前記予備成形体を成形型で加圧し、前記芯材と前記繊維強化樹脂材とを熱接着させる第2工程を実施して、前記芯材が立体形状を有する繊維強化複合体を作製し、且つ、繊維強化樹脂材によって被覆されている表面が180度未満の内角で隣り合わせになっているコーナー部を有する芯材を備えた繊維強化複合体を作製し、
少なくとも前記コーナー部となる部位に発泡剤が含有されている芯材を前記第2工程で用いることにより、該第2工程では、芯材の前記部位における気泡を成長させて前記コーナー部の表面から2.5mm深さまでの気泡の扁平率が20%以上の繊維強化複合体を形成させる繊維強化複合体の製造方法。
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