JP6866713B2 - 複合材料の成形方法および成型品 - Google Patents
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Description
本発明は、複合材料の成形方法および成形品に関する。
炭素繊維及び炭素繊維複合材料は、引張強度・引張弾性率が高く、耐熱性、耐薬品性、疲労特性、耐摩耗性に優れる、線膨張係数が小さく寸法安定性に優れる、電磁波シールド性、Ｘ線透過性に富むなどの優れた特長を有していることから、スポーツ・レジャー、航空・宇宙、一般産業用途に幅広く適用されている。従来は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を複合材料のマトリックスとすることが多かったが、最近、リサイクル性・高速成型性の観点から熱可塑性樹脂が注目されている。
特許文献１〜３には、熱可塑性樹脂と炭素繊維からなる複合材料が開示されている。
特許文献１では、ポリプロピレンと炭素繊維からなる複合材料が開示されており、流動成形性の評価として、２３０℃で複合材料を予熱したスタンピング成形を行なっている。一般的にポリプロピレンのガラス転移温度は０℃、融点は１８０℃と言われており、融点以上の温度へ予熱した後に成形されている。
また特許文献２では、６ナイロンと炭素繊維からなる複合材料が開示されており、２８０℃で複合材料を予熱したスタンピング成形を行なっている。一般的に６ナイロンのガラス転移温度は５０℃、融点は２２５℃と言われており、融点以上の温度へ予熱した後に成形されている。
特許文献３では、ポリカーボネートと炭素繊維を含む炭素長繊維含有樹脂材料が開示されており、シリンダー温度３００℃で可塑化して射出成形を行なっている。一般的にポリカーボネートのガラス転移温度は１４５℃と言われており、ガラス転移温度より１５０℃以上高温で可塑化した後に成形されている。
特許文献１では、ポリプロピレンと炭素繊維からなる複合材料が開示されており、流動成形性の評価として、２３０℃で複合材料を予熱したスタンピング成形を行なっている。一般的にポリプロピレンのガラス転移温度は０℃、融点は１８０℃と言われており、融点以上の温度へ予熱した後に成形されている。
また特許文献２では、６ナイロンと炭素繊維からなる複合材料が開示されており、２８０℃で複合材料を予熱したスタンピング成形を行なっている。一般的に６ナイロンのガラス転移温度は５０℃、融点は２２５℃と言われており、融点以上の温度へ予熱した後に成形されている。
特許文献３では、ポリカーボネートと炭素繊維を含む炭素長繊維含有樹脂材料が開示されており、シリンダー温度３００℃で可塑化して射出成形を行なっている。一般的にポリカーボネートのガラス転移温度は１４５℃と言われており、ガラス転移温度より１５０℃以上高温で可塑化した後に成形されている。
このように、熱可塑性樹脂と炭素繊維を含む複合材料を成形する場合に、ガラス転移温度より１５０℃以上高温への予熱や、融点以上への予熱の後に成形する事は一般的であり、広く実施されている。
しかしながらこれらの方法では、高温まで予熱するため、熱可塑性樹脂が熱劣化する恐れや、著しく軟化する事で取扱いが困難になる恐れがあった。
しかしながらこれらの方法では、高温まで予熱するため、熱可塑性樹脂が熱劣化する恐れや、著しく軟化する事で取扱いが困難になる恐れがあった。
また炭素繊維複合材料は、従来板金などの金属を使っていた部品を代替するために、例えば２．５ｍｍ以下の薄肉での活用が検討される場合がある。
特許文献１の実施例では、厚さ４ｍｍの複合材料を融点以上に予熱した後に金型内に運搬してプレス成形しているが、流動させるためには高いプレス圧力が必要であり、例えば１０００ｃｍ２以上といった大きな投影面積で、薄肉まで流動させる事は困難となる場合がある。
特許文献２の実施例１では、厚さ１．１ｍｍの複合材料を予熱した後に金型内に運搬してプレス成形しているが、融点以上の高温では複合材料が十分に軟化すると考えられるため、運搬が困難になる場合がある。
特許文献３の実施例では、ガラス転移温度より１５０℃以上の高温で可塑化した後に金型内に射出成形しているが、例えば１０００ｃｍ２以上といった大きな投影面積で、薄肉成形品を射出成形する場合には、高い型締め圧が必要となり、困難となる場合がある。
特許文献１の実施例では、厚さ４ｍｍの複合材料を融点以上に予熱した後に金型内に運搬してプレス成形しているが、流動させるためには高いプレス圧力が必要であり、例えば１０００ｃｍ２以上といった大きな投影面積で、薄肉まで流動させる事は困難となる場合がある。
特許文献２の実施例１では、厚さ１．１ｍｍの複合材料を予熱した後に金型内に運搬してプレス成形しているが、融点以上の高温では複合材料が十分に軟化すると考えられるため、運搬が困難になる場合がある。
特許文献３の実施例では、ガラス転移温度より１５０℃以上の高温で可塑化した後に金型内に射出成形しているが、例えば１０００ｃｍ２以上といった大きな投影面積で、薄肉成形品を射出成形する場合には、高い型締め圧が必要となり、困難となる場合がある。
このような状況から、熱可塑性樹脂と炭素繊維を含む複合材料の成形方法として、より薄肉に対応し易い方法が求められていた。
本発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維を含む複合材料から、熱劣化の恐れが少なく、かつ薄肉の成形品を得やすい成形方法を提供する。
本発明者らは、特定の温度範囲で塑性加工する事で、薄肉でも成形し易い事を見出し、また特定の組成で特に成形し易い事を見出し、本発明を完成するに至った。即ち本発明の要旨は、以下の［１］〜［７］に存する。
〔１〕 熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）を含む複合材料を、ガラス転移点（Ｔｇ）以上、Ｔｇ＋１２０℃以下の温度で塑性加工する成形方法。
〔２〕 前記塑性樹脂（Ａ）が、晶性樹脂（Ａ−１）を含む複合材料を融点以下の温度で塑性加工したものである上記〔１〕記載の成形方法。
〔３〕 熱可塑性樹脂（Ａ）の５０％以上が非晶性樹脂（Ａ−２）である複合材料を塑性加工する、上記〔１〕または〔２〕に記載の成形方法。
〔４〕 塑性加工が、絞り加工または曲げ加工の何れかである上記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の成形方法。
〔５〕 塑性加工した後に、ガラス転移点以下の温度で金型から取り出す、上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の成形方法。
〔６〕 複合材料の厚さが、０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である、上記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の成形方法。
〔７〕 上記〔１〕〜〔６〕のいずれかに成形方法によって得られた成形品。
〔１〕 熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）を含む複合材料を、ガラス転移点（Ｔｇ）以上、Ｔｇ＋１２０℃以下の温度で塑性加工する成形方法。
〔２〕 前記塑性樹脂（Ａ）が、晶性樹脂（Ａ−１）を含む複合材料を融点以下の温度で塑性加工したものである上記〔１〕記載の成形方法。
〔３〕 熱可塑性樹脂（Ａ）の５０％以上が非晶性樹脂（Ａ−２）である複合材料を塑性加工する、上記〔１〕または〔２〕に記載の成形方法。
〔４〕 塑性加工が、絞り加工または曲げ加工の何れかである上記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の成形方法。
〔５〕 塑性加工した後に、ガラス転移点以下の温度で金型から取り出す、上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の成形方法。
〔６〕 複合材料の厚さが、０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である、上記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の成形方法。
〔７〕 上記〔１〕〜〔６〕のいずれかに成形方法によって得られた成形品。
本発明により、熱可塑性樹脂と炭素繊維を含む複合材料から、熱劣化の恐れが少なく、かつ薄肉の成形品を得やすい成形方法を提供することができる。
（熱可塑性樹脂（Ａ））
本発明で用いられる複合材料は、熱可塑性樹脂（Ａ）を含む。樹脂成分の主成分が熱可塑性樹脂（Ａ）であり、樹脂成分の９５％以上が熱可塑性樹脂（Ａ）である事が好ましく、樹脂成分が熱可塑性樹脂（Ａ）からなる事がさらに好ましい。熱可塑性である事で、本発明の成形方法で成形し易い。
熱可塑性樹脂（Ａ）としては、例えば、ポリプロピレン、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ＸＤ１０ナイロン、９Ｔナイロン、１０Ｔナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等の結晶性樹脂；ポリカーボネート、ＡＢＳ、アクリル等の非晶性樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂（Ａ）は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
複合材料中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率は、複合材料１００質量％中、３０質量％以上８０質量％以下が好ましく、４０質量％以上７０質量％以下がより好ましく、５０質量％以上６５質量％以下が更に好ましい。
複合材料中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率が３０質量％以上であると、複合材料の成形性に優れる。また、熱可塑性樹脂組成物中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率が８０質量％以下であると、炭素繊維（Ｂ）を十分配合できるため、成形品の機械特性に優れる。
本発明で用いられる複合材料は、熱可塑性樹脂（Ａ）を含む。樹脂成分の主成分が熱可塑性樹脂（Ａ）であり、樹脂成分の９５％以上が熱可塑性樹脂（Ａ）である事が好ましく、樹脂成分が熱可塑性樹脂（Ａ）からなる事がさらに好ましい。熱可塑性である事で、本発明の成形方法で成形し易い。
熱可塑性樹脂（Ａ）としては、例えば、ポリプロピレン、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ＸＤ１０ナイロン、９Ｔナイロン、１０Ｔナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等の結晶性樹脂；ポリカーボネート、ＡＢＳ、アクリル等の非晶性樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂（Ａ）は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
複合材料中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率は、複合材料１００質量％中、３０質量％以上８０質量％以下が好ましく、４０質量％以上７０質量％以下がより好ましく、５０質量％以上６５質量％以下が更に好ましい。
複合材料中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率が３０質量％以上であると、複合材料の成形性に優れる。また、熱可塑性樹脂組成物中の熱可塑性樹脂（Ａ）の含有率が８０質量％以下であると、炭素繊維（Ｂ）を十分配合できるため、成形品の機械特性に優れる。
（結晶性樹脂（Ａ−１））
熱可塑性樹脂（Ａ）は、結晶性樹脂（Ａ−１）を含むことが好ましい。
結晶性樹脂（Ａ−１）としては、ポリプロピレン、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ＸＤ１０ナイロン、９Ｔナイロン、１０Ｔナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。耐熱性、成形性のバランスから、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、が好ましく、吸湿による物性低下が少なく比較的安価な事から、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。
熱可塑性樹脂（Ａ）中の結晶性樹脂（Ａ−１）の配合量は、５０％以下が好ましく、５％以上４０％以下がさらに好ましく、１５％以上３０％以下が最も好ましい。
結晶性樹脂（Ａ−１）を含むことで、ガラス転移点以上であっても、べたつきが少なく、ハンドリングし易い。
熱可塑性樹脂（Ａ）は、結晶性樹脂（Ａ−１）を含むことが好ましい。
結晶性樹脂（Ａ−１）としては、ポリプロピレン、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ＸＤ１０ナイロン、９Ｔナイロン、１０Ｔナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。耐熱性、成形性のバランスから、６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、が好ましく、吸湿による物性低下が少なく比較的安価な事から、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。
熱可塑性樹脂（Ａ）中の結晶性樹脂（Ａ−１）の配合量は、５０％以下が好ましく、５％以上４０％以下がさらに好ましく、１５％以上３０％以下が最も好ましい。
結晶性樹脂（Ａ−１）を含むことで、ガラス転移点以上であっても、べたつきが少なく、ハンドリングし易い。
（非晶性樹脂（Ａ−２））
熱可塑性樹脂（Ａ）は、非晶性樹脂（Ａ−２）を含むことが好ましい。
非晶性樹脂（Ａ−２）としては、ポリカーボネート、ＡＢＳ、アクリル、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。ガラス転移温度が高く耐熱性が高い点から、ポリカーボネートが好ましい。
非晶性樹脂（Ａ−２）は、熱可塑性樹脂（Ａ）の５０％以上である事が好ましい。さらに好ましくは６０％以上９５％以下であり、もっとも好ましくは７０％以上８５％以下である。非晶性樹脂（Ａ−２）がこの範囲であると、塑性加工し易い。
また熱可塑性樹脂（Ａ）は、成形性に優れる事から、結晶性樹脂（Ａ−１）と非晶性樹脂（Ａ−２）を含むポリマーアロイが好ましい。また、成形性と機械特性のバランスに優れる事から、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレートアロイ、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレートアロイがさらに好ましい。
熱可塑性樹脂（Ａ）は、非晶性樹脂（Ａ−２）を含むことが好ましい。
非晶性樹脂（Ａ−２）としては、ポリカーボネート、ＡＢＳ、アクリル、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。ガラス転移温度が高く耐熱性が高い点から、ポリカーボネートが好ましい。
非晶性樹脂（Ａ−２）は、熱可塑性樹脂（Ａ）の５０％以上である事が好ましい。さらに好ましくは６０％以上９５％以下であり、もっとも好ましくは７０％以上８５％以下である。非晶性樹脂（Ａ−２）がこの範囲であると、塑性加工し易い。
また熱可塑性樹脂（Ａ）は、成形性に優れる事から、結晶性樹脂（Ａ−１）と非晶性樹脂（Ａ−２）を含むポリマーアロイが好ましい。また、成形性と機械特性のバランスに優れる事から、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレートアロイ、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレートアロイがさらに好ましい。
（炭素繊維（Ｂ））
本発明に用いられる複合材料は、炭素繊維（Ｂ）を含む。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維や、ピッチ系炭素繊維が挙げられるが、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。
ここでＰＡＮ系炭素繊維とは、「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ＰＡＮ系炭素繊維は、低密度及び高比強度といった利点がある。
ＰＡＮ系炭素繊維を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径をＰＡＮ系炭素繊維の直径とした場合、ＰＡＮ系炭素繊維の直径は１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下がさらに好ましく、特に好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。
ＰＡＮ系炭素繊維は、長繊維、チョップドファイバー、ミルドファイバーを用いる事ができるが、所望の機械特性や加工性を得るために、質量平均長さを制御する観点から、長繊維や、チョップドファイバーが好ましい。
以上のような性質を有するＰＡＮ系炭素繊維として好適に用いられている市販品としては、パイロフィル（登録商標）チョップドファイバー ＴＲ０６Ｕ、ＴＲ０６ＵＬ，ＴＲ０６ＮＥ、ＴＲ０６ＮＬ、ＭＲ０６ＮＥ、ＭＲ０３ＮＥ、長繊維 ＴＲ５０Ｓ １５Ｌ、ＴＲＨ５０ １８Ｍ、ＴＲＨ５０ ６０Ｍ、ＴＲＷ４０ ５０Ｌ、ＭＲ６０Ｈ ２４Ｐ、ＨＲ４０ １２Ｍ（以上、商品名、三菱レイヨン社製）などが挙げられる。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の含有率は、複合材料１００質量％中、２０質量％以上７０質量％以下が好ましく、３０質量％以上６０質量％以下がより好ましく、３５質量％以上５０質量％以下が更に好ましい。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の含有率が２０質量％以上であると、成形品の機械特性に優れる。また、熱可塑性樹脂組成物中の炭素繊維（Ｂ）の含有率が７０質量％以下であると、熱可塑性樹脂（Ａ）を十分配合できるため、成形性に優れる。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の質量平均繊維長に特に制限は無いが、機械特性の観点から０．１ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。また成形性の観点から、５０ｍｍ以下が好ましく。３０ｍｍ以下がさらに好ましい。
本発明に用いられる複合材料は、炭素繊維（Ｂ）を含む。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維や、ピッチ系炭素繊維が挙げられるが、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。
ここでＰＡＮ系炭素繊維とは、「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ＰＡＮ系炭素繊維は、低密度及び高比強度といった利点がある。
ＰＡＮ系炭素繊維を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径をＰＡＮ系炭素繊維の直径とした場合、ＰＡＮ系炭素繊維の直径は１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下がさらに好ましく、特に好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。
ＰＡＮ系炭素繊維は、長繊維、チョップドファイバー、ミルドファイバーを用いる事ができるが、所望の機械特性や加工性を得るために、質量平均長さを制御する観点から、長繊維や、チョップドファイバーが好ましい。
以上のような性質を有するＰＡＮ系炭素繊維として好適に用いられている市販品としては、パイロフィル（登録商標）チョップドファイバー ＴＲ０６Ｕ、ＴＲ０６ＵＬ，ＴＲ０６ＮＥ、ＴＲ０６ＮＬ、ＭＲ０６ＮＥ、ＭＲ０３ＮＥ、長繊維 ＴＲ５０Ｓ １５Ｌ、ＴＲＨ５０ １８Ｍ、ＴＲＨ５０ ６０Ｍ、ＴＲＷ４０ ５０Ｌ、ＭＲ６０Ｈ ２４Ｐ、ＨＲ４０ １２Ｍ（以上、商品名、三菱レイヨン社製）などが挙げられる。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の含有率は、複合材料１００質量％中、２０質量％以上７０質量％以下が好ましく、３０質量％以上６０質量％以下がより好ましく、３５質量％以上５０質量％以下が更に好ましい。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の含有率が２０質量％以上であると、成形品の機械特性に優れる。また、熱可塑性樹脂組成物中の炭素繊維（Ｂ）の含有率が７０質量％以下であると、熱可塑性樹脂（Ａ）を十分配合できるため、成形性に優れる。
複合材料中の炭素繊維（Ｂ）の質量平均繊維長に特に制限は無いが、機械特性の観点から０．１ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。また成形性の観点から、５０ｍｍ以下が好ましく。３０ｍｍ以下がさらに好ましい。
（複合材料）
本発明に用いられる複合材料は、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）以外に、必要に応じて他の添加剤を含んでも良い。他の添加剤としては、例えば、着色剤、酸化防止剤、金属不活性材、カーボンブラック、造核剤、離型剤、滑剤、帯電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、ガラス繊維、無機フィラー、耐衝撃性改質剤、溶融張力向上剤、難燃剤、可塑剤等が挙げられる。これらの他の添加剤は、１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
複合材料中の他の添加剤の含有率は、複合材料や成形品の本来の性能を損なわないことから、複合材料１００質量％中、０質量％以上１０質量％以下が好ましく、０質量％以上５質量％以下がより好ましく、０質量％以上３質量％以下が更に好ましい。
複合材料の厚さは、０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上１．７ｍｍ以下がさらに好ましい。０．４ｍｍ以上である事で、複合材料の優れた機械特性を活かす事ができる。また、２．５ｍｍ以下であれば、より薄肉軽量な成形品を得る事ができる。
複合材料の製造方法に特に制限はないが、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるプリプレグを積層する方法や、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるペレットを射出成形する方法、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるペレットを押出成形する方法等が挙げられる。ペレットを用いる場合に、より大きな面積の複合材料を効率的に得るためには、押出成形が好ましい。
本発明に用いられる複合材料は、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）以外に、必要に応じて他の添加剤を含んでも良い。他の添加剤としては、例えば、着色剤、酸化防止剤、金属不活性材、カーボンブラック、造核剤、離型剤、滑剤、帯電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、ガラス繊維、無機フィラー、耐衝撃性改質剤、溶融張力向上剤、難燃剤、可塑剤等が挙げられる。これらの他の添加剤は、１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
複合材料中の他の添加剤の含有率は、複合材料や成形品の本来の性能を損なわないことから、複合材料１００質量％中、０質量％以上１０質量％以下が好ましく、０質量％以上５質量％以下がより好ましく、０質量％以上３質量％以下が更に好ましい。
複合材料の厚さは、０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上１．７ｍｍ以下がさらに好ましい。０．４ｍｍ以上である事で、複合材料の優れた機械特性を活かす事ができる。また、２．５ｍｍ以下であれば、より薄肉軽量な成形品を得る事ができる。
複合材料の製造方法に特に制限はないが、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるプリプレグを積層する方法や、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるペレットを射出成形する方法、熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）からなるペレットを押出成形する方法等が挙げられる。ペレットを用いる場合に、より大きな面積の複合材料を効率的に得るためには、押出成形が好ましい。
（塑性加工）
本発明の成形方法は、塑性加工である。
ここで塑性加工とは、延伸、鍛造、絞り、曲げ加工であり、これらを組み合わせた方法も含む。好ましくは、曲げ加工、絞り加工であり、さらに好ましくは曲げ加工である。
本発明の塑性加工では、曲げ加工機等の従来板金加工で用いられている加工機を用いる事が可能であるが、より複雑な成形品を効率的に生産する観点から、金型を用いたプレス加工が好ましい。
金型を用いる場合、複合材料をＴｇ以上Ｔｇ＋１２０℃以下の温度に予熱した後に、金型内に運搬し、金型を閉じる事で所望の塑性加工を行う方法が好ましい。金型の温度に特に制限はないが、高い生産性を求める場合には、Ｔｇ以下の温度が好ましい。また、少量の加工であれば、Ｔｇ以上の温度の金型を用いて塑性加工した後に、金型をＴｇ以下に冷やしてから取り出す方法が容易である。
本発明の成形方法は、塑性加工である。
ここで塑性加工とは、延伸、鍛造、絞り、曲げ加工であり、これらを組み合わせた方法も含む。好ましくは、曲げ加工、絞り加工であり、さらに好ましくは曲げ加工である。
本発明の塑性加工では、曲げ加工機等の従来板金加工で用いられている加工機を用いる事が可能であるが、より複雑な成形品を効率的に生産する観点から、金型を用いたプレス加工が好ましい。
金型を用いる場合、複合材料をＴｇ以上Ｔｇ＋１２０℃以下の温度に予熱した後に、金型内に運搬し、金型を閉じる事で所望の塑性加工を行う方法が好ましい。金型の温度に特に制限はないが、高い生産性を求める場合には、Ｔｇ以下の温度が好ましい。また、少量の加工であれば、Ｔｇ以上の温度の金型を用いて塑性加工した後に、金型をＴｇ以下に冷やしてから取り出す方法が容易である。
（加工温度）
本発明の成形方法では、ガラス転移点（Ｔｇ）以上、Ｔｇ＋１２０℃以下で塑性加工する。Ｔｇ＋２０℃以上が好ましく、Ｔｇ＋３０℃以上がさらに好ましい。また、Ｔｇ＋８０℃以下が好ましく、Ｔｇ＋７０℃以下がさらに好ましい。
また、熱可塑性樹脂（Ａ）が結晶性樹脂（Ａ−１）を含む場合には、融点（Ｔｍ）以下が好ましく、Ｔｍ−４０℃以下がさらに好ましい。
この範囲では、より加工性に優れる。
ここでガラス転移点（Ｔｇ）、融点（Ｔｍ）は、複合材料の一部を切出し、示差走査熱量計（ＤＳＣ）により、１０℃／分の速度で昇温しながら測定した値である。
本発明の成形方法で金型を用いる場合、Ｔｇ以上であっても、Ｔｇに近い温度であれば変形が少なく金型から取り出す事が可能であるが、安定した成形のためには、成形品の表面の温度がＴｇ以下になってから金型から取り出す事が好ましい。Ｔｇ以上で取出した場合には、金型から取り出した後に変形が生じ、所望の寸法精度が得られない場合がある。取り出し時の金型の温度は、Ｔｇ以下が好ましく、Ｔｇ−５℃以下がさらに好ましい。
本発明の成形方法では、ガラス転移点（Ｔｇ）以上、Ｔｇ＋１２０℃以下で塑性加工する。Ｔｇ＋２０℃以上が好ましく、Ｔｇ＋３０℃以上がさらに好ましい。また、Ｔｇ＋８０℃以下が好ましく、Ｔｇ＋７０℃以下がさらに好ましい。
また、熱可塑性樹脂（Ａ）が結晶性樹脂（Ａ−１）を含む場合には、融点（Ｔｍ）以下が好ましく、Ｔｍ−４０℃以下がさらに好ましい。
この範囲では、より加工性に優れる。
ここでガラス転移点（Ｔｇ）、融点（Ｔｍ）は、複合材料の一部を切出し、示差走査熱量計（ＤＳＣ）により、１０℃／分の速度で昇温しながら測定した値である。
本発明の成形方法で金型を用いる場合、Ｔｇ以上であっても、Ｔｇに近い温度であれば変形が少なく金型から取り出す事が可能であるが、安定した成形のためには、成形品の表面の温度がＴｇ以下になってから金型から取り出す事が好ましい。Ｔｇ以上で取出した場合には、金型から取り出した後に変形が生じ、所望の寸法精度が得られない場合がある。取り出し時の金型の温度は、Ｔｇ以下が好ましく、Ｔｇ−５℃以下がさらに好ましい。
（成形品）
本発明の成形品は、複合材料を塑性加工する事によって得られるが、その５０％以上の面積において、複合材料の厚さの９０％以上の厚さが好ましく、複合材料の厚さと等しい事が好ましい。本発明の成形方法では、厚さの変化を伴う加工も可能であるが、より高い加圧力が必要となるため、加工費用が高くなる恐れがある。
成形品の平均厚さは、０．４ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上１．７ｍｍ以下がさらに好ましい。
本発明の成形品は、複合材料を塑性加工する事によって得られるが、その５０％以上の面積において、複合材料の厚さの９０％以上の厚さが好ましく、複合材料の厚さと等しい事が好ましい。本発明の成形方法では、厚さの変化を伴う加工も可能であるが、より高い加圧力が必要となるため、加工費用が高くなる恐れがある。
成形品の平均厚さは、０．４ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上１．７ｍｍ以下がさらに好ましい。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（ガラス転移点、融点の測定）
複合材料をニッパーで切断し、約１０ｍｇをアルミニウム容器に精秤し、示差走査熱量計（機種名「ＤＳＣ７０２０」、ＳＩＩ社製）を用いて測定した。２８０℃に加熱した後に−４０℃まで急冷し、その後に−４０℃から２８０℃まで１０℃／分の昇温条件で測定する事で、ガラス転移点、融点を測定した。
複合材料をニッパーで切断し、約１０ｍｇをアルミニウム容器に精秤し、示差走査熱量計（機種名「ＤＳＣ７０２０」、ＳＩＩ社製）を用いて測定した。２８０℃に加熱した後に−４０℃まで急冷し、その後に−４０℃から２８０℃まで１０℃／分の昇温条件で測定する事で、ガラス転移点、融点を測定した。
（取扱い性）
ステンレス板上で加工温度となった複合材料を軍手で運ぶ際の取扱い性を、以下の基準で評価した。
○：容易に運ぶ事ができる。
△：表面がざらつき、やや運び難い。
×：軟らかすぎて運び難い。
ステンレス板上で加工温度となった複合材料を軍手で運ぶ際の取扱い性を、以下の基準で評価した。
○：容易に運ぶ事ができる。
△：表面がざらつき、やや運び難い。
×：軟らかすぎて運び難い。
（加工性）
加工性を以下の基準で評価した。
○：成形品に割れやヒビ等が無く良好である。
△：成形品にヒビが発生するが、割れない。
×：成形品が割れる。
加工性を以下の基準で評価した。
○：成形品に割れやヒビ等が無く良好である。
△：成形品にヒビが発生するが、割れない。
×：成形品が割れる。
（外観）
成形品外観を以下の基準で評価した。
○：形状や表面外観に異常が無く、良好。
△：概略形状は良好だが、表面に凹凸が発生。
×：形状不良。
成形品外観を以下の基準で評価した。
○：形状や表面外観に異常が無く、良好。
△：概略形状は良好だが、表面に凹凸が発生。
×：形状不良。
（原料）
熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）：ポリブチレンテレフタレート樹脂（商品名「ノバデュラン５００８」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−１）：ポリカーボネート樹脂（商品名「ユーピロンＨ−４０００」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−２）：ポリカーボネート樹脂（商品名「ノバレックス７０２０ＩＲ」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
炭素繊維（Ｂ−１）：ＰＡＮ系炭素繊維（商品名「パイロフィル ＴＲ５０Ｓ」、三菱レイヨン（株）製）
炭素繊維（Ｂ−２）：ＰＡＮ系炭素繊維（商品名「パイロフィル ＴＲ０６ＵＬ」、三菱レイヨン（株）製、繊維長６ｍｍ、チョップドファイバー）
耐衝撃性改良剤：シリコーン−アクリル複合ゴム系耐衝撃性改良剤（商品名「メタブレン Ｓ−２００６」、三菱レイヨン（株）製）
熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）：ポリブチレンテレフタレート樹脂（商品名「ノバデュラン５００８」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−１）：ポリカーボネート樹脂（商品名「ユーピロンＨ−４０００」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−２）：ポリカーボネート樹脂（商品名「ノバレックス７０２０ＩＲ」、三菱エンジニアリングプラスチック（株）製）
炭素繊維（Ｂ−１）：ＰＡＮ系炭素繊維（商品名「パイロフィル ＴＲ５０Ｓ」、三菱レイヨン（株）製）
炭素繊維（Ｂ−２）：ＰＡＮ系炭素繊維（商品名「パイロフィル ＴＲ０６ＵＬ」、三菱レイヨン（株）製、繊維長６ｍｍ、チョップドファイバー）
耐衝撃性改良剤：シリコーン−アクリル複合ゴム系耐衝撃性改良剤（商品名「メタブレン Ｓ−２００６」、三菱レイヨン（株）製）
（参考例１）０．５ｍｍ厚の複合材料（Ｘ−１）の製造
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−１）８０質量部、熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）２０質量部、耐衝撃性改良剤 ５質量部、安定剤 ０．９質量部を二軸押出機で混練してＰＣ／ＰＢＴアロイのペレットを得た。
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−１）８０質量部、熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）２０質量部、耐衝撃性改良剤 ５質量部、安定剤 ０．９質量部を二軸押出機で混練してＰＣ／ＰＢＴアロイのペレットを得た。
このペレットと炭素繊維（Ｂ−１）を特許文献１記載の方法に従って複合化し、炭素繊維を４４％含む、厚さ０．５ｍｍの複合材料（Ｘ−１）を得た。ガラス転移点 ９７℃、融点 ２１０℃であった。
（参考例２）０．６ｍｍ厚の複合材料（Ｘ−２）の製造
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−２）７６質量部、熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）１９質量部、耐衝撃性改良剤 ５質量部、安定剤 ０．４質量部を二軸押出機のメインフィーダーから供給し、炭素繊維（Ｂ−２）６７質量部をサイドフィーダーから供給し、ダイスから出たストランドを水冷した後にストランドカッターでカットし、ペレット状の熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を得た。
ここで得られた熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を、シリンダー温度２７０℃、金型温度１００℃で射出成形した後に、２枚のステンレス板に挟んで、２７０℃に設定したプレス成形機で厚さ０．６ｍｍになるように圧縮し、その後８０℃に設定したプレス成形機で冷却した後にステンレス板の間から取り出して、炭素繊維を４０％含む、厚さ０．６ｍｍの複合材料（Ｘ−２）を得た。ガラス転移点 １０４℃、融点 ２１０℃であった。
ポリカーボネート樹脂（Ａ−２−２）７６質量部、熱可塑性ポリエステル樹脂（Ａ−１）１９質量部、耐衝撃性改良剤 ５質量部、安定剤 ０．４質量部を二軸押出機のメインフィーダーから供給し、炭素繊維（Ｂ−２）６７質量部をサイドフィーダーから供給し、ダイスから出たストランドを水冷した後にストランドカッターでカットし、ペレット状の熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を得た。
ここで得られた熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を、シリンダー温度２７０℃、金型温度１００℃で射出成形した後に、２枚のステンレス板に挟んで、２７０℃に設定したプレス成形機で厚さ０．６ｍｍになるように圧縮し、その後８０℃に設定したプレス成形機で冷却した後にステンレス板の間から取り出して、炭素繊維を４０％含む、厚さ０．６ｍｍの複合材料（Ｘ−２）を得た。ガラス転移点 １０４℃、融点 ２１０℃であった。
（参考例３）２ｍｍ厚の複合材料（Ｘ−３）の製造
（参考例２）のペレット状で得られた熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を、シリンダー温度２７０℃、金型温度１００℃の条件で、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２ｍｍのキャビティを有する金型を用いて射出成形する事で、炭素繊維を４０％含む、厚さ２ｍｍの複合材料（Ｘ−３）を得た。ガラス転移点 １０４℃、融点 ２１０℃であった。
（参考例２）のペレット状で得られた熱可塑性樹脂組成物（Ｙ）を、シリンダー温度２７０℃、金型温度１００℃の条件で、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２ｍｍのキャビティを有する金型を用いて射出成形する事で、炭素繊維を４０％含む、厚さ２ｍｍの複合材料（Ｘ−３）を得た。ガラス転移点 １０４℃、融点 ２１０℃であった。
（実施例１）複合材料（Ｘ−１）のプレス機を使った曲げ加工
図１に記載の概略断面を有する金型を１５０℃に加熱し、その一方で７０ｍｍ（下型の凸部は６０ｍｍ）に切断した複合材料（Ｘ−１）を１５０℃の金属板上で予熱した。金型の上型（キャビティ側）を外し、複合材料（Ｘ−１）を下型（コア側）の上に置き、手で軽く押しつけた後に、その上に上型を置き、プレス成形した。金型が閉じきってすぐに、８０℃に設定したプレス機に金型ごと移動し、加圧したまま１００℃以下になるまで冷却した。その後に金型を開き、成形品を得た。天面の厚さは０．５ｍｍであり、端部は曲げ加工されており、外観は平滑であった。
図１に記載の概略断面を有する金型を１５０℃に加熱し、その一方で７０ｍｍ（下型の凸部は６０ｍｍ）に切断した複合材料（Ｘ−１）を１５０℃の金属板上で予熱した。金型の上型（キャビティ側）を外し、複合材料（Ｘ−１）を下型（コア側）の上に置き、手で軽く押しつけた後に、その上に上型を置き、プレス成形した。金型が閉じきってすぐに、８０℃に設定したプレス機に金型ごと移動し、加圧したまま１００℃以下になるまで冷却した。その後に金型を開き、成形品を得た。天面の厚さは０．５ｍｍであり、端部は曲げ加工されており、外観は平滑であった。
（実施例２）複合材料（Ｘ−２）のプレス機を使った曲げ加工
複合材料（Ｘ−１）の代わりに複合材料（Ｘ−２）を用いる点を除いては、実施例１と同様に実施し、成形品を得た。天面の厚さは１ｍｍであり、端部は曲げ加工されており、外観は平滑であった。
複合材料（Ｘ−１）の代わりに複合材料（Ｘ−２）を用いる点を除いては、実施例１と同様に実施し、成形品を得た。天面の厚さは１ｍｍであり、端部は曲げ加工されており、外観は平滑であった。
（実施例３）複合材料（Ｘ−１）の曲げ加工
複合材料（Ｘ−２）を７０×２５ｍｍに切断し、１４０℃の金属板上で予熱した。これを軍手で掴んで、曲げ加工機（ミニシャーベンダー ＭＳＢ−８（株式会社東洋アソシエイツ製））にセットし、直ちに曲げ加工を実施し、成型品を得た。
複合材料（Ｘ−２）を７０×２５ｍｍに切断し、１４０℃の金属板上で予熱した。これを軍手で掴んで、曲げ加工機（ミニシャーベンダー ＭＳＢ−８（株式会社東洋アソシエイツ製））にセットし、直ちに曲げ加工を実施し、成型品を得た。
（実施例４〜１１）複合材料の曲げ加工
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施し、成型品を得た。
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施し、成型品を得た。
（比較例１〜２）複合材料の低温での曲げ加工
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施したが、曲げ加工の際に複合材料が割れてしまい、成型品が得られなかった。
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施したが、曲げ加工の際に複合材料が割れてしまい、成型品が得られなかった。
（比較例３〜４）複合材料の高温での曲げ加工
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施したが、複合材料が軟らかいため、曲げ加工機に運ぶ際に掴んだ部分の周辺が大きく変形してしまった。曲げ加工は可能なものの、加工部分以外が大きく変形した。
複合材料の種類と加工温度を表１に記載の通りに変更する点を除いては、実施例３と同様に実施したが、複合材料が軟らかいため、曲げ加工機に運ぶ際に掴んだ部分の周辺が大きく変形してしまった。曲げ加工は可能なものの、加工部分以外が大きく変形した。
以上から明らかなように、実施例１〜１１は、曲げ加工可能であった。特に実施例１〜７は好ましい範囲内のため、加工性や外観が特に優れていた。比較例１〜２は、加工温度が低すぎるために、複合材料の軟化が不十分であり、曲げ加工できずに割れてしまった。比較例３〜４は、加工温度が高すぎるために複合材料が軟らかくなりすぎ取扱い辛かった。
Claims (7)
- 熱可塑性樹脂（Ａ）が結晶性樹脂（Ａ−１）及び非晶性樹脂（Ａ−２）を含み、該熱可塑性樹脂（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）を含む複合材料を、ガラス転移点（Ｔｇ）以上、融点（Ｔｍ）以下の温度で塑性加工する成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂（Ａ）が６ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロン、１２ナイロン、ＭＸＤ６ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、またはポリエチレンテレフタレートを含む、請求項１に記載の成形方法。
- 熱可塑性樹脂（Ａ）の６０％以上９５％以下が非晶性樹脂（Ａ−２）である複合材料を塑性加工する、請求項１または２に記載の成形方法。
- 塑性加工が、絞り加工または曲げ加工の何れかである請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形方法。
- 塑性加工した後に、ガラス転移点以下の温度で金型から取り出す、請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形方法。
- 複合材料の厚さが、０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形方法を用いる成形品の製造方法。
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