JP6357833B2 - 複合成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続繊維を用いたＵＤテープと熱可塑性樹脂による複合成形品の製造方法に関する。

近年、軽量かつ高強度という特長を生かし、ガラス繊維や炭素繊維などで強化された繊維強化樹脂が自動車、航空機、電機電子などの分野で広く利用されている。特に、自動車分野においては車両軽量化による燃費向上を狙い、金属代替としての用途が期待されている。金属代替としての用途を拡大する上で最も大きなポイントとなるのが更なる高強度、高剛性化である。しかし、通常用いられる射出成形用の繊維強化樹脂は含有する強化繊維が不連続な短繊維であるため、強度、剛性の改良効果は限定的なものとなる。

このような限界を打破するために、短繊維より高い強度および剛性を有する連続繊維を成形体内にインサートすることにより構造体としての機械特性を向上させる方法が見出されている。具体的には、一方向性の連続繊維により構成させるＵＤテープを予め金型キャビティ内に配置し、熱可塑性樹脂を射出成形することで接合一体化した複合成形品を製造する方法が多く取られている。一方向性の連続繊維は繊維方向における引張強度および弾性率に非常に優れており、前記方法で製造された複合成形品に対し短繊維の補強では得られないような卓越した機械特性を付与することができる。

前記のＵＤテープとは、一方向に配列した連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸固化させてテープ形状に加工した一方向テープ（Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔａｐｅ）の事である。含浸樹脂に熱可塑性樹脂を用いるため、射出された熱可塑性樹脂の熱により含浸樹脂が溶融、その後、再固化することで良好な接着層が形成される。これにより、含浸樹脂と熱可塑性樹脂との接着性に優れる複合成形品を得ることが出来る。その反面、含浸樹脂が溶融する過程において、含浸樹脂の繊維拘束力が低下するため、流動する熱可塑性樹脂のせん断で連続繊維が乱れてしまったり（連続繊維が一方向に揃っていない状態になったり）、ＵＤテープ自身がずれてしまったりして、良好な成形品を得ることが非常に困難であった。

この問題に対する従来技術として、特許文献１には、固定冶具を用いてＵＤテープの一方端を挟持し、それを固定冶具が収容可能な掘り込み形状を有する金型キャビティ内にセットし、その後、溶融した熱可塑性樹脂を射出成形することで複合成形品を製造する方法が開示されている。

特開２０１３−２５２６４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法によれば、連続繊維の乱れやＵＤテープの位置ずれをある程度抑制することは出来るものの、１サイクルごとに固定冶具でＵＤテープの一方端を挟持し、それを金型キャビティ内の収容部にセットするという前作業が必要となり、生産効率が良くない。また、固定冶具により挟持された一方端に関しては、構造上熱可塑性樹脂が充填されることが無く、成形品からはみ出した形となってしまうため、その部分を除去するような後加工が必要となり、同様に生産効率が良くない。

これに加え、金型構造として固定冶具の収容部を設ける必要が有り、大型の成形品の成形において想定される、成形品の端部から遠い箇所へのＵＤテープのインサートが困難であるなど、成形品形状の制約も多い。

なおかつ、固定冶具を用いることによる部品点数の増加、固定冶具収容部を設けることによる金型形状の複雑化、これらに起因する金型の整備性の低下も問題となる。

このような従来技術の問題点を鑑み、本発明は、ＵＤテープにおける配置方法の工夫により、連続繊維の乱れとＵＤテープの位置ずれを抑制し、金型の整備性を損なうことなく、より効率的にＵＤテープと熱可塑性樹脂との複合成形品を製造する製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するための本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）金型キャビティ内に、切断面を有し、一方向に引き揃えた連続繊維をナイロン６樹脂にて含浸固化させたＵＤテープを配置した後、金型キャビティ内にナイロン６樹脂を射出する複合成形品の製造方法であって、ＵＤテープを配置するキャビティ面が、ナイロン６樹脂の流路より一段低い位置に設けられ、金型キャビティ内にＵＤテープを配置するに際し、ＵＤテープの切断面が金型キャビティ面から１ｍｍ以内となるようにＵＤテープを配置し、配置したＵＤテープの延在方向に流動するナイロン６樹脂をＵＤテープに接触させる際に、ナイロン６樹脂をＵＤテープの上面のうち、ＵＤテープの切断面からＵＤテープを構成する連続繊維の配向方向に１０ｍｍ以内の上面に最初に接触させること特徴とする複合成形品の製造方法。
（２）金型キャビティ内にＵＤテープを配置するに際し、ＵＤテープの切断面の少なくとも一部を予め金型キャビティ面に接触させるようにＵＤテープを配置する、（１）に記載の複合成形品の製造方法。
（３）ＵＤテープを構成する連続繊維が炭素繊維である、（１）または（２）に記載の複合成形品の製造方法。

本発明に係る複合成形品の製造方法によれば、ＵＤテープを工夫して配置することで、ＵＤテープを用いた複合射出成形において問題となる、ＵＤテープ中の連続繊維の乱れとＵＤテープ自身の位置ずれを生じさせることなく、ＵＤテープと熱可塑性樹脂との複合成形品を製造することが出来る。また、固定冶具を用いず、特別な金型構造を設ける必要も無いため、金型の整備性を損なうことなく、複合成形品を容易に製造することが出来る。さらには、ＵＤテープを予め挟持させる等の前作業のほか、複合成形品より突出したＵＤテープの端部を除去する後加工作業が要らないため、より効率よく複合成形品を製造することができる。これらに加え、複合成形品の形状の制約を受けることが無いため、設計自由度の高い複合成形品を製造することが出来る。

本発明の一実施態様を示す断面図である。 本発明の他の一実施様態の断面図である。 本発明の他の一実施様態の断面図である。 本発明の他の一実施態様を示す断面図である。 本発明の他の一実施態様を示す断面図である。 本発明の他の一実施態様を示す断面図である。 本発明の他の一実施態様を示す断面図である。 本発明の他の一実施態様を示す断面図である。 比較例１を実施した際の態様を示す断面図である。 図１の一実施態様の斜視図である。

（ＵＤテープ）
前記の通り、ＵＤテープとは、一方向に引き揃えた連続繊維を熱可塑性樹脂にて含浸固化し、テープ状に加工した部材である。ＵＤテープに用い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。これらの中でも比強度、比弾性率に優れるという点で炭素繊維が好ましい。

また、含浸させる熱可塑性樹脂としては公知のものが挙げられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステル樹脂や、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィン樹脂や、スチレン系樹脂の他、ポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリメチレンメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ）、変性ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリスルホン樹脂（ＰＳＵ）、変性ＰＳＵ樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂（ＰＥＳ）、ポリケトン樹脂（ＰＫ）、ポリエーテルケトン樹脂（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン樹脂（ＰＥＫＫ）、ポリアリレート樹脂（ＰＡＲ）、ポリエーテルニトリル樹脂（ＰＥＮ）、熱可塑性フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、更にポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリブタジエン系樹脂、ポリイソプレン系樹脂、フッ素系樹脂等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレンドした樹脂が挙げられる。この中でも、親和性、接着性の観点から、射出成形に用いる熱可塑性樹脂と同種樹脂が好ましい。

また、ＵＤテープ中における連続繊維が占める割合を示す繊維体積含有率（Ｖｆ：％）は、複合成形品の要求特性等により適宜選択することができるが、好ましくは１５〜６５％、より好ましくは３０〜６０％、さらに好ましくは４０〜５５％である。また、ＵＤテープの弾性率としては、好ましくは４０ＧＰａ以上、より好ましくは５０ＧＰａ以上、さらにより好ましくは６０ＧＰａ以上である。繊維体積含有率が１５％未満になると、連続繊維による補強効果が十分に発揮されない場合がある。また６５％を超えると、後述する射出成形用の熱可塑性樹脂との接着力が十分に発揮できないことがある。

（熱可塑性樹脂）
金型内に射出成形する熱可塑性樹脂としては、先に例示した熱可塑性樹脂やこれらの樹脂を組み合わせてなるアロイ樹脂等を用いることができ、また、ＵＤテープに用いる含浸樹脂との接着性を考慮してこれら樹脂を適宜変更することが可能である。

また、複合成形品の高強度・高剛性化を図るためにこれら樹脂に強化繊維を含有させたものを用いても良い。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、チタン酸カリウィスカ、酸化亜鉛ウィスカ、炭酸カルシウムウィスカ、ワラステナイトウィスカ、硼酸アルミウィスカ、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維、石コウ繊維、金属繊維などが挙げられる。

さらに、要求される特性に応じ、本発明の目的を損なわない範囲で他の充填材や添加剤を含有しても良い。例えば、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、カップリング剤などが挙げられる。

（複合成形品の製造方法）
上記組成で成るＵＤテープと熱可塑性樹脂とで構成される複合成形品の製造方法を以下で詳細に説明する。

本発明の第一の形態を図１に示す。本発明の製造方法は、図１のように、金型キャビティ内に切断面１ｃを有するＵＤテープ１を配置した後、金型キャビティ内４に熱可塑性樹脂２を射出する複合成形品の製造方法であって、熱可塑性樹脂２をＵＤテープ１に接触させる際に、熱可塑性樹脂２をＵＤテープの上面１ａに最初に接触させて複合成形品とする方法である。ここで、切断面１ｃとはＵＤテープ１の連続繊維の配向方向に対して略直交方向に切断した面のことを言う。

このとき、射出された熱可塑性樹脂２の熱によりＵＤテープ１の含浸樹脂が融解することで、熱可塑性樹脂２と含浸樹脂との間に良好な接着層が形成され、接着強度に優れる複合成形品を得ることが出来る。ただし、射出した熱可塑性樹脂２と含浸樹脂とが融解、接着される過程において、含浸樹脂の繊維拘束力が低下するため、ＵＤテープ１に対する熱可塑性樹脂２の接触の仕方によっては、ＵＤテープ１中の繊維の乱れやＵＤテープ１自身の位置ずれといった現象が起こり得る。熱可塑性樹脂２を含浸樹脂とするＵＤテープ１のインサート成形においては、この現象をいかに抑制するかが、大きな技術的課題のひとつとなる。

ＵＤテープ１を金型キャビティ内４に配置する方法としては、所望する特定の幅で製作されたＵＤテープ１を特定の長さに切断して所望の大きさのシート状物とし、これを金型キャビティ面３に、ＵＤテープ１を構成する連続繊維の配向方向に沿った面を重ねて位置決めを行う。位置決めを行う方法としては、両面テープなどの接着剤、負圧による吸引などが挙げられるが、金型設計やＵＤテープ１の形状に応じて適宜選択して良い。ここで、配置するＵＤテープ１について、金型キャビティ面３に固定される面を下面１ｂと言い、対向する面を上面１ａと言う。

図１のように、射出された熱可塑性樹脂２の流路がＵＤテープ１の上面１ａに略垂直方向に設けられている場合、熱可塑性樹脂２はＵＤテープ１に接触する際に必ず上面１ａに最初に接触することになる。これにより、ＵＤテープ１に対し金型キャビティ面３の反対側から熱可塑性樹脂２の圧力が加わり、ＵＤテープ１が金型キャビティ面３に押し付けられることで強固に固定される。このようにして固定されたＵＤテープ１は熱可塑性樹脂２のその後の充填過程においても繊維乱れやＵＤテープの位置ずれが起こらず、金型キャビティ面３に位置決めした通りに接合一体化された複合成形品を得ることが出来る。図１の態様に限らず、図２に示すように熱可塑性樹脂２の流路がＵＤテープ１の上面１ａの上斜め方向に設けられる場合や、図３に示すように複数の熱可塑性樹脂２の流路が設けられる場合、図４に示すように複数の熱可塑性樹脂２の流路がＵＤテープ１の上面１ａの上斜め方向に設けられる場合のように、射出された熱可塑性樹脂２が上面１ａに最初に接触する限りにおいては、いずれも好ましい態様であるといえる。

次に、本発明の第二の形態を図５に示す。図５では、ＵＤテープ１を配置するキャビティ面３が、熱可塑性樹脂２の流路より一段低い位置に設けられている。このとき、金型キャビティ内４にＵＤテープ１を配置するに際し、ＵＤテープ１の切断面１ｃが金型キャビティ面３から１ｍｍ以内となるようにＵＤテープ１を配置することが好ましい。また、金型キャビティ内４にＵＤテープ１を配置するに際し、ＵＤテープ１の切断面１ｃの少なくとも一部を予め金型キャビティ面３に接触させるようにＵＤテープ１を配置することもより好ましい。

射出された熱可塑性樹脂２が図５に示す流動方向２ｂを有する場合、熱可塑性樹脂２はＵＤテープ１の切断面１ｃのごく近くで流動方向が変わるため、熱可塑性樹脂２はＵＤテープ１の切断面１ｃに直接接触することなく、ＵＤテープ１の上面１ａの中でも切断面１ｃに近い側に接触することとなる。このような熱可塑性樹脂２の接触態様では、ＵＤテープ１の切断面１ｃ近傍からスキン層の形成、すなわち固定化が始まるため、熱可塑性樹脂２による繊維乱れやＵＤテープが生じにくくなるため、より好ましい。このとき、熱可塑性樹脂２が接触する金型キャビティ面３が切断面１ｃから１ｍｍ以内の距離に有ればこのような好ましい態様を取ることが出来るが、この距離は近ければ近いほどより好ましく、切断面１ｃの少なくとも一部が金型キャビティ面３に当接していれば更に好ましい。図５の態様に限らず、図６に示すように熱可塑性樹脂２の流路がＵＤテープ１の切断面１ｃの上方に設けられる場合や、図７、図８に示すように熱可塑性樹脂２の流路がＵＤテープ１の切断面１ｃの斜め上方に設けられる場合のように、射出された熱可塑性樹脂２が切断面１ｃに接触する限りにおいては、いずれも好ましい態様であるといえる。

またさらに、熱可塑性樹脂２をＵＤテープ１の上面１ａに最初に接触させるに際し、その接触位置をＵＤテープ１の切断面１ｃからＵＤテープ１を構成する連続繊維の配向方向に１０ｍｍ以内の上面とする態様が更に好ましい。このような複合成形品の製造方法によれば、ＵＤテープ１の一方端を固定冶具等で予め固定する必要が無い。そのため、熱可塑性樹脂２の流動により固定されたＵＤテープ１は、得られた複合成形品からはみ出すことも無く、はみ出した部分を除去するような後加工も不要となる。また、射出成形する前のＵＤテープ１の位置決めを簡易的な方法で行えるため、固定冶具をＵＤテープ１で挟むような事前作業も不要である。このような複合成形品の製造方法によれば、高い生産効率で複合成形品を製造することが出来る。さらに、固定冶具を収容するような特別な構造を金型に設ける必要がなく、部品点数も増えないため、金型の整備性を損なうことがない。なおかつ、このような複合成形品の製造方法により得られた複合成形品は、ＵＤテープ１を浮島上にインサートすることが可能であり、形状の自由度が高く、所望する部位を効率よく補強することが可能である。

以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、下記実施例は本発明を何ら制約するものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することは、本発明の技術範囲である。

（実施例１）
予め１００ｍｍの長さに切断したＵＤテープ（東レ（株）製 炭素繊維含有率４０重量％、ベースレジン：ナイロン６樹脂））を、図５に示すようにフィルムゲート金型におけるゲート側の金型キャビティ面に切断面が接触するように配置した。その金型キャビティ内に、熱可塑性樹脂ＣＭ１０１１Ｇ４５（ベースレジン：ナイロン６、ガラス繊維４５重量％含有）を射出成形し、ＵＤテープと熱可塑性樹脂とを接合一体化して複合成形品を製造した。この複合成形品は、ＵＤテープ中の連続繊維の乱れやＵＤテープ自身の位置ずれがなく、所望した形および位置にＵＤテープがインサートされた成形体であった。この際、固定冶具は用いておらず、また、特別な金型を導入することも無いため、非常に効率よく複合射出成形品を製造することができた。

（比較例１）
実施例１と同様の長さに切断したＵＤテープ（東レ（株）製 炭素繊維含有率４０重量％、ベースレジン：ナイロン６樹脂）を図９のようにフィルムゲート金型におけるゲート側の金型キャビティ面にゲートから２０．０ｍｍの位置に配置した。その金型キャビティ内に、熱可塑性樹脂ＣＭ１０１１Ｇ４５（ベースレジン：ナイロン６、ガラス繊維４５重量％含有）を射出成形し、ＵＤテープと熱可塑性樹脂とを接合して複合射出成形品を製造したところ、連続繊維の大幅な乱れやＵＤテープ自体の大きな位置ずれが認められた。

１ ＵＤテープ
１ａ 上面
１ｂ 下面
１ｃ 切断面
２ 熱可塑性樹脂
２ａ 流動先端
２ｂ 流動方向
３ 金型キャビティ面
４ 金型キャビティ内

Claims (3)

1. 金型キャビティ内に、切断面を有し、一方向に引き揃えた連続繊維をナイロン６樹脂にて含浸固化させたＵＤテープを配置した後、金型キャビティ内にナイロン６樹脂を射出する複合成形品の製造方法であって、ＵＤテープを配置するキャビティ面が、ナイロン６樹脂の流路より一段低い位置に設けられ、金型キャビティ内にＵＤテープを配置するに際し、ＵＤテープの切断面が金型キャビティ面から１ｍｍ以内となるようにＵＤテープを配置し、配置したＵＤテープの延在方向に流動するナイロン６樹脂をＵＤテープに接触させる際に、ナイロン６樹脂をＵＤテープの上面のうち、ＵＤテープの切断面からＵＤテープを構成する連続繊維の配向方向に１０ｍｍ以内の上面に最初に接触させること特徴とする複合成形品の製造方法。
2. 金型キャビティ内にＵＤテープを配置するに際し、ＵＤテープの切断面の少なくとも一部を予め金型キャビティ面に接触させるようにＵＤテープを配置する、請求項１に記載の複合成形品の製造方法。
3. ＵＤテープを構成する連続繊維が炭素繊維である、請求項１または２に記載の複合成形品の製造方法。