JP6184069B2

JP6184069B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法

Info

Publication number: JP6184069B2
Application number: JP2012201651A
Authority: JP
Inventors: 章亘佐々木; 崇寛林; 仁志北村; 秀利園田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Toyobo Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Toyobo Co Ltd
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: JP2014054798A

Description

本発明は、不連続繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなる不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を補強する繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂成形品はマトッリクス樹脂に熱可塑性樹脂が使われると、マトリックス樹脂として熱硬化系樹脂を使った複合材料と比較して、短時間で成形できる利点があることが知られている。一方、不連続繊維からなる繊維強化熱可塑性樹脂は複雑な形状の成形ができるなど、その賦形性に優れていることが特徴であるが、連続繊維からなる複合材料と比較して機械的強度が低く、成形品の性能が低くなる傾向にある。このため不連続繊維材料で複雑な形状の成形品を成形した後、高い強度が必要な部分に、後から連続繊維材料により部分補強を行う簡便な方法が望まれていた。

例えば、特開平７−９５８９号公報（特許文献１）には、補強用の連続繊維と熱可塑性樹脂とからなる補強材の少なくとも表面を加熱溶融するとともに、前記補強材に使われる熱可塑性樹脂と相溶性のある熱可塑性樹脂と強化繊維とからなる被補強材となる組成物を加熱溶融し、被補強材を加熱溶融している補強材に供給して、両者を一体化する方法が開示されている。この方法では、被補強材も加熱する必要があり、熱可塑性樹脂と補強繊維とからなる補強材を押出機などによって加熱溶融させるとともに、さらにプレス成形する必要があり、操作が煩雑となる問題があった。
かかる状況のもとで、より簡便な不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法や補強方法が望まれていた。

特開平７−９５８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を補強材によってより簡便に補強される繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法を提供することである。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法は、不連続繊維及び熱可塑性樹脂組成物を含む不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と、連続強化繊維及び熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物とを備え、前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を傾斜した立ち上がり部を有する複雑な形状に成形した後に、前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と前記テープ状物の少なくとも一方を加熱溶融しながら両者を溶融接合して一体化させることを特徴としている。

ここで、本発明にあって留意すべき点は、繊維強化熱可塑性樹脂成形品の母材が熱硬化性樹脂をマトリックスとする繊維強化樹脂成形品の母材と比較すると、生来、賦形性に優れるものの物性的に劣る不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品である。この不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の優位性となる高賦形性を利用して複雑な形状の繊維強化樹脂成形品を得ることが重要である。本発明は、この複雑な形状に成形された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に強化繊維との複合製品として、本来的に要求される物性を確保すべく、連続繊維と熱可塑性組成物とからなるテープ状物を補強材として不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に溶融一体化するところにある。

本発明の好適な態様によれば、前記テープ状物の厚みが３０〜３００μｍ、幅が５〜７５ｍｍ、前記連続強化繊維の体積含有率が２０〜７０％である。また、好ましくは前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品が、前記連続強化繊維及び熱可塑性樹脂組成物からなる前記テープ状物を平均長さ５〜１００ｍｍに切断し、擬似等方的に分散した構成を有している。さらに好ましくは、前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品及び前記テープ状物の少なくとも一方が炭素繊維を含んでいる。

前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物が、前記テープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物と相溶性を有する熱可塑性樹脂組成物であることが好ましく、特に前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物と、前記テープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物とが、共にポリプロピレン系樹脂組成物又はポリアミド系樹脂組成物であることがさらに好ましい。

本発明によれば、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品をプレス成形等の方法で成形する際に、不連続繊維強化熱可塑性樹脂の流動性が保持され、不連続繊維が全体に均等に分散された高品位の不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品が得られる。こうして得られる不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と、補強材となる予め連続強化繊維及び熱可塑性樹脂組成物を含む補強材からなるテープ状物を、上述のように、溶融一体化するとき、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品及びテープ状物の少なくとも一方を加熱溶融させるだけの簡便な操作により、強化繊維に由来する物性に近い物性を備えた複雑な形状の繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得ることが可能となる。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の一番目の例を示す斜視図である。連続強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるテープ状物により補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の一番目の例を示す斜視図である。不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の二番目の例を示す斜視図である。連続強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるテープ状物により補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の二番目の例を示す斜視図である。不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の三番目の例を示す斜視図である。連続強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるテープ状物により補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の三番目の例を示す斜視図である。連続強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるテープ状物により補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の第四番目の例を示す斜視図である。

図１は、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の一例を示している。不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品とは、不連続の強化繊維を含む熱可塑性樹脂成形品である。不連続強化繊維とは、当該成形品において、強化繊維が途切れている繊維を意味する。不連続強化繊維を含む熱可塑性樹脂材料は、連続強化繊維を含む熱可塑性樹脂材料よりも物性は劣るが、プレス成形等の成形時における流動性、賦形性に優れる。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品における強化繊維の体積含有率（ＪＩＳＫ７０５２、或いはＪＩＳＫ７０７５に準じて測定。）は２０〜７０％が好ましい。強化繊維の体積含有率が２０％以上であると、強化繊維に由来する物性を不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に発揮させることができる。強化繊維の体積含有率が７０％以下であると、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品をプレス成形等の方法で成形する際に、不連続繊維強化熱可塑性樹脂の流動性が保持され、複雑な形状の成形品を得ることができる。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品において、含まれる強化繊維は、一本ずつ開繊した短いフィラメントの状態で分散していてもよいし、多数本の強化繊維フィラメントからなる束状で分散していてもよい。開繊したフィラメントや束状の繊維は、熱可塑性樹脂組成物の中に擬似等方的にランダムに分散していることが好ましい。ここでランダムな分散とは、多数本の強化繊維フィラメントからなる束として、強化繊維が特定の方向性を持たずに分散している状態や、個々の強化繊維フィラメントとして、特定の方向性を持たずに分散している状態のいずれをも含む。強化繊維の長さは５〜１００ｍｍが好ましい。強化繊維の長さが５ｍｍ以上であると不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の物性に優れ、強化繊維の長さが１００ｍｍ以下であると、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品のプレス成形時における流動性に優れる。

不連続強化繊維を含む熱可塑性樹脂組成物の具体的な形態の例としては、連続した強化繊維を一方向に引き揃えて熱可塑性樹脂組成物を含浸した厚み３０〜３００μｍ、幅５〜７５ｍｍのテープ状材料を長さ５〜１００ｍｍにカットしてチョップドテープとし、該チョップドテープを型内にランダムに分散させ、その状態で型内を加熱、加圧、冷却する加熱プレス成形により成形されたものを挙げることができる。不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物としては、特に制限はなく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル、ポリアミド６等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどを使用できる。また、これら各樹脂の変性体を用いてもよいし、複数種の樹脂をブレンドして用いてもよい。また、熱可塑性樹脂組成物は、各種添加剤、フィラー、着色剤等を含んでいてもよい。
不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などが挙げられる。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を補強するために、連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物を使用する。連続繊維とは、前記連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物の中で途切れのないものを言う。連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物は、このような連続繊維を含むため、物性が非常に優れている。連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物の具体的な構造としては、連続した強化繊維を一方向に引き揃えて熱可塑性樹脂組成物を含浸した組成物がある。

連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物における強化繊維の体積含有率は、２０〜７０％であることが好ましい。強化繊維の体積含有率が２０％以上であると、強化繊維に由来する物性を連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物に発揮させることができる。強化繊維の体積含有率が７０％以下であると、連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物を、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に一体化させやすくなり、補強の作業が容易になる。

連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物の厚みは、３０〜３００μｍであることが好ましい。テープ状物の厚みが３０μｍ以上であるとテープに強度や剛性を与えることができ、そのテープ状物を不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に積層一体化させる作業が実施しやすくなる。テープ状物の厚みが３００μｍ以下であるとテープ自体をボビン等に巻くことができ、そのテープ状物を不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に積層する作業が実施しやすくなる。

連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物の幅は、５〜７５ｍｍであるこ
とが好ましい。テープ状物の幅が５ｍｍ以上であると、テープ状物を不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に短時間で積層しやすくなる。テープ状物の幅が７５ｍｍ以下であると、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の細かい部分にも積層することが可能となる。

連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物及び強化繊維は、例えば上述の不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品について例示したものの中から選択して使用できる。連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物と不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品との間で、含まれる熱可塑性樹脂組成物及び強化繊維は、同じであっても、異なっていてもよい。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を、連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物で補強する方法として、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品における補強したい部分に、前記テープ状物を配置させる。そして、アイロンや加熱型などを用いて、テープ状物を加熱しながら押し付ける。この際に、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物、及び／又は連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物を溶融させる。その後、別に用意したアイロンなど加熱手段を用いて加熱したのち冷却して、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と連続強化繊維及び熱可塑性樹脂からなるテープ状物とを一体化させる。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物で補強する場合には、熱可塑性樹脂組成物の融点或はガラス転移温度以上に加熱されたアイロンなどを用いて、押し付けながら一体化させることが好ましい。その後、その部分が熱可塑性樹脂組成物の融点或はガラス転移温度以下に下がるまで待つことが好ましい。また、冷却の途中には、別に容易された加熱されていないアイロンを用意して、これを押し付けてもよい。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と連続強化繊維及び熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物を一体化した場合の補強効果に鑑みると、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物と、連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物とは相溶性があるものが好ましい。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物を配置する際には、テープ角度は任意の角度から選ぶことができる。また、テープ同士の間に隙間を空けてもよいし、重ね合わせてもよい。連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなるテープ状物は、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の全体を覆ってもよいし、部分的に覆ってもよい。

このように連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物で補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、補強される以前よりも、強度や弾性率などの機械的物性が著しく向上する。
以下、本発明を実施例を挙げて、より具体的に説明する。

不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａとしては、次の方法で得たものを用いた。
まず、強化繊維が直径７μｍの炭素繊維であって、その連続した炭素繊維にポリプロピレンを含浸させた厚み１５０μｍ、幅１５ｍｍ、炭素繊維の体積含有率が４５％であるテープ状物を得た。これを長さ３０ｍｍに切断して擬似等方的に分散した幅５５ｍｍ、長さ３８０ｍｍ、厚み８ｍｍの板状物を得た。この板状物を２７０℃に加熱した赤外線ヒーターで６分間予備加熱して、さらに１３０℃に加熱された金型に載せて、圧力２０ＭＰａで１分間保持することにより成形品を得た。

連続強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とからなるテープ状物Ｂとして、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａの製造の際に使用したテープ状物と同じ厚み１５０μｍ、幅１５ｍｍ、連続炭素繊維の体積含有率４５％であるテープ状物を使用した。

（実施例１）
不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａとして、図１に示す形状の成形品を使用した。すなわち、断面が、幅方向の中央部に左右を傾斜させて立ち上がり、その各頂点を直線により水平に連結する成形品本体１と、この成形品本体１の左右下端から直線的に水平に延在する左右下端縁部２とからなる、全体が奥行き方向に細長い形状を有している。このとき、本実施例にあっては、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａの全体の幅Ｗを１００ｍｍ、天面部３の横幅Ｓ１を４５ｍｍ、奥行き長さＬを４０５ｍｍとした。この不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａの天面部３に、図２に示すように、長さ４０５ｍｍ、幅１５ｍｍの連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを、テープ間の隙間が無いようにして、３本並べて載置した。２１０℃に加熱した図示せぬアイロンで、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを加熱しながら、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａに押し付けた。その後、別に用意しておいた加熱されていない図示せぬアイロンを用いて、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂに押し付けながら冷却し、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂで補強された不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａを主体とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得た。

（実施例２）
不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａとして、図３に示すような、図１に示す形状を引っ繰り返した形状の成形品を用いた。この不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａにおける横幅Ｓ２が１５ｍｍの左右上端縁部４の各上面に、図４に示すとおり、幅１５ｍｍ、長さ４０５ｍｍの連続繊維強化熱可塑性樹脂からなるテープ状物Ｂを１本ずつ載置した。この状態で、２１０℃に加熱した図示せぬアイロンで、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを加熱しながら、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａに押し付けた。その後、別に用意していた加熱されていない図示せぬアイロンを用いて、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを押し付けながら冷却した。この操作を５回繰り返し、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａの縁の部分に、連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなるテープ状物Ｂを５層積層した。

（実施例３）
実施例１で使用した不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａを２個、振動溶着機を用いて左右上下端縁部４，２を突き合わせて溶着し、図５に示すようなパイプ形状の不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａ’を得た。このパイプ形状の不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａ’に、図６に示すように、上半分の左右下端縁部２の上面に幅４５ｍｍ、長さ４０５ｍｍの連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを１本載置し、２１０℃に加熱した図示せぬアイロンで、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを加熱しながら、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａ’に押し付けた。その後、別に用意していた加熱されていない図示せぬアイロンを用いて、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを押し付けながら冷却した。同様に、上半分の左右立上り部５の表面部分に連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを各２本ずつ、天面部３の上面に３本を配して連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを一体化させた。この操作をパイプ形状物の下半分にも実施した。

次で、図７に示すように、パイプ形状の不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａ’の上半分前端部の上面に沿わせて、前記連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂと直交して、連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる長さ１３５ｍｍの連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを屈曲させながら１本載置し、２１０℃に加熱した図示せぬアイロンで、連続繊維強
化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを加熱しながら、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品Ａに押し付けた。その後、別に用意していた加熱されていない図示せぬアイロンを用いて、連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを押し付けながら冷却した。次に別の一本の連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂを前の連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物Ｂに２ｍｍ重なるようにして、同様に一体化させた。この操作を繰り返し、合計３１本のテープを積層した。パイプ状物の下半分にも同様な操作を実施した。

これらの実施例１〜３の製造方法によれば、いずれも不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品及びテープ状物の少なくとも一方を加熱溶融させるだけの簡便な操作によるにも関わらず、不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と連続強化繊維及び熱可塑性樹脂からなるテープ状物とが溶融一体化されるとき、連続繊維強化熱可塑性樹脂の流動性が利用されるため、たとえ複雑な形状であっても、強化繊維に由来する物性に近い物性を備え、かつ所望の強度をもった繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得ることができた。

１成形品本体
２左右下端縁部
３天面部
４左右上端縁部
５左右立上り部
Ａ，Ａ’ 不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品
Ｂ連続繊維強化熱可塑性樹脂テープ状物（テープ状物）
Ｌ不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の奥行き長さ
Ｗ不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の幅
Ｓ１不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の天面部の横幅
Ｓ２不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品の左右及び上下端縁部の横幅

Claims

不連続繊維及び熱可塑性樹脂組成物を含む不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と、連続強化繊維及び熱可塑性樹脂組成物からなるテープ状物とを備え、前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を傾斜した立ち上がり部を有する複雑な形状に成形した後に、前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品と前記テープ状物の少なくとも一方を加熱溶融しながら両者を溶融接合して一体化させる繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
前記テープ状物の厚みが３０〜３００μｍ、幅が５〜７５ｍｍ、前記連続強化繊維の体積含有率が２０〜７０％である、請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品が、
前記連続強化繊維及び前記熱可塑性樹脂組成物からなる前記テープ状物を平均長さ５〜１００ｍｍに切断し、擬似等方的に分散した構成を有してなる、請求項１又は２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品及び前記テープ状物の少なくとも一方が炭素繊維を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物が、前記テープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物と相溶性を有する熱可塑性樹脂組成物である、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
前記不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品に含まれる熱可塑性樹脂組成物と、前記テープ状物に含まれる熱可塑性樹脂組成物とが、共にポリプロピレン系樹脂組成物又はポリアミド系樹脂組成物である、請求項５に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。