JP7390279B2 - Fiber-reinforced resin chopped materials, fiber-reinforced resin composites, and resin molded products - Google Patents
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Description
本発明は、金属面を有する繊維強化樹脂チョップ材、及びそれを用いることにより高い強度を有しながらも軽量であってしかも柔軟な加工性を有する繊維強化樹脂複合材、及びそれを用いた樹脂成形品に関するものである。 The present invention relates to a fiber-reinforced resin chopped material having a metal surface, a fiber-reinforced resin composite material that has high strength, is lightweight, and has flexible processability, and a resin using the same. This relates to molded products.
一般的に樹脂材料は、軽量で加工が容易であるものの、金属材料と比較して弾性率が低く、引っ張りや曲げに対する強度も低いため、強度や剛性が要求される構造材としては不向きである。
そこで、樹脂材料にガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を複合させることで、強化繊維の持つ弾性率の高さや高い引っ張り強さ等の物性を付加した繊維強化樹脂が開発され、広く用いられるようになった。
Although resin materials are generally lightweight and easy to process, they have a lower modulus of elasticity and lower tensile and bending strength than metal materials, making them unsuitable for structural materials that require strength and rigidity. .
Therefore, by combining reinforcing fibers such as glass fibers and carbon fibers with resin materials, fiber-reinforced resins with added physical properties such as high elastic modulus and high tensile strength, which are possessed by reinforcing fibers, have been developed and are now widely used. Became.
普及している繊維強度樹脂材料のひとつとして、強化繊維と樹脂シートを密着接合した繊維強化樹脂シートが挙げられる。この繊維強化樹脂シートは、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として強化繊維束に含侵させたシートを、プレス成形するとともに加熱硬化させることで所望の形状を得ることができる。 One of the popular fiber-reinforced resin materials is a fiber-reinforced resin sheet in which reinforcing fibers and a resin sheet are closely bonded. This fiber-reinforced resin sheet can be obtained into a desired shape by press-molding and heat-curing a sheet in which reinforcing fiber bundles are impregnated with a thermosetting resin as a matrix resin.
しかし、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シートは加熱硬化に時間が掛かるため、近年では製造時間短縮のため、熱硬化性樹脂に代えて、加熱により溶融し冷却によって硬化する熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シートの開発が行われている。 However, fiber-reinforced resin sheets that use thermosetting resin as a matrix resin take time to cure by heating, so in recent years, in order to shorten production time, thermoplastic resin sheets, which melt by heating and harden by cooling, have been used instead of thermosetting resins. Fiber-reinforced resin sheets using resin as a matrix resin are being developed.
このような熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シートにおいては、量産性が高いことから、これまで金属によって構成されていた部品と置き換えることを目的として、金属と接合した機能性の繊維強化樹脂シートが開発されている(特許文献1参照)。 Fiber-reinforced resin sheets using thermoplastic resin as a matrix resin are highly mass-producible, so functional fiber-reinforced resin sheets bonded to metal are used to replace parts that were previously made of metal. A resin sheet has been developed (see Patent Document 1).
しかし、特許文献1の技術では、金属で構成される第1部材が単一のシート状あるいはフィルム状の金属であるため、繊維強化樹脂シートをプレス加工する際、半径の小さな角部を有する形状や深い形状にプレス加工とすると、金属で構成される第1部材に部分的な破れや皺が発生したり、層間剥離が発生したりする場合がある。
However, in the technique of
また、強度の面から、強化繊維シートは連続繊維状の単一方向の強化繊維シートを直交方向に重ね合わせて用いたり、予め所定ピッチで交差するように平織して構成したものを用いたりするのが一般的である。しかし、前述のような形状に加工する場合、単一方向の強化繊維シートや平織の強化繊維シートは柔軟性に乏しいため、賦形性に欠ける。 In addition, from the viewpoint of strength, the reinforcing fiber sheet may be constructed by stacking continuous fiber-like unidirectional reinforcing fiber sheets in orthogonal directions, or by plain weaving them so that they intersect at a predetermined pitch. is common. However, when processed into the above-mentioned shape, a unidirectional reinforcing fiber sheet or a plain weave reinforcing fiber sheet has poor flexibility and therefore lacks formability.
このように、従来における金属層と強化繊維層とを有する繊維強化樹脂シートには、プレス加工における加工可能な形状に制限があるという問題があった。 As described above, the conventional fiber-reinforced resin sheet having a metal layer and a reinforcing fiber layer has a problem in that there is a limit to the shapes that can be processed in press working.
本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、高い強度を有するとともに柔軟な加工性により賦形性に優れ、金属の持つ機能性を発揮することができる繊維強化樹脂複合材を製造するための繊維強化樹脂チョップ材を提供することに加え、該繊維強化樹脂チョップ材、及びそれを用いた繊維強化樹脂複合材、及びそれを用いた樹脂成形品を提供することにある。 The present invention was made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to have high strength, excellent formability due to flexible workability, and to exhibit the functionality of metal. In addition to providing a fiber-reinforced resin chopped material for producing a fiber-reinforced resin composite material that can be Our goal is to provide the following.
本発明者が上記課題を解決するために採用した手段は、炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維を含む熱可塑性樹脂層と金属層とを基本構成とする繊維強化樹脂チョップ材である。 The means adopted by the present inventor to solve the above problem is a fiber-reinforced resin chopped material whose basic structure is a thermoplastic resin layer containing reinforcing fibers such as carbon fibers and glass fibers, and a metal layer.
前記熱可塑性樹脂層と前記金属層とは、接着剤層を含まず融着一体化して構成されている。
接着剤層を含まないという点について詳述すると、一般的に、金属-繊維強化樹脂プリプレグは、金属箔と繊維強化樹脂シートとの間に接着剤を塗布して接着一体化して製造されるが、本発明の繊維強化樹脂チョップ材は、熱可塑性樹脂層と金属層とが接合した金属-繊維強化樹脂プリプレグを所定の寸法に裁断して構成しており、金属層と熱可塑性樹脂層と金属層との間に接着層を含まない。
The thermoplastic resin layer and the metal layer are fused and integrated without an adhesive layer.
To elaborate on the point that it does not include an adhesive layer, metal-fiber reinforced resin prepreg is generally manufactured by applying an adhesive between a metal foil and a fiber reinforced resin sheet to bond them together. The fiber-reinforced resin chopped material of the present invention is constructed by cutting a metal-fiber-reinforced resin prepreg, in which a thermoplastic resin layer and a metal layer are bonded together, into predetermined dimensions. Does not include an adhesive layer between the layers.
この点、本発明の繊維強化樹脂チョップ材における金属-繊維強化樹脂プリプレグは、連続繊維状の強化繊維を長さ方向に向きを揃えて所定の幅で単一方向に配列した厚さ1~30μmの強化繊維束と、強化繊維間に含浸させるマトリックス樹脂であって、厚さが5~100μmの金属接着性を有する樹脂フィルムと、厚さが1~200μmの金属箔とから構成されている。 In this respect, the metal-fiber-reinforced resin prepreg in the fiber-reinforced resin chopped material of the present invention has a thickness of 1 to 30 μm and is made by arranging continuous reinforcing fibers in a single direction with a predetermined width and with the same direction in the length direction. A reinforcing fiber bundle, a matrix resin impregnated between the reinforcing fibers and a resin film having metal adhesive properties with a thickness of 5 to 100 μm, and a metal foil with a thickness of 1 to 200 μm.
ここで、金属接着性とは、別個の接着剤を用いることなく、熱可塑性樹脂が固化することで分子間力や化学的結合力によって金属と接着することができることを指すが、極性官能基を持たない樹脂であっても、改質によって極性官能基が付与された場合には金属接着性を有する樹脂に含まれる。 Here, metal adhesion refers to the ability of a thermoplastic resin to adhere to metals through intermolecular force or chemical bonding force when solidified, without using a separate adhesive. Even if the resin does not have a polar functional group, it is included in the resin having metal adhesive properties if it is modified to have a polar functional group.
この金属-繊維強化樹脂プリプレグの製造においては、強化繊維束、樹脂フィルム、金属シートの順に重ね合わせ、それらを加熱加圧することで、溶融した樹脂フィルムが強化繊維束に含浸又は半含浸するとともに、溶融した樹脂フィルムが金属箔と融着一体化する。このような構成とすることで、接着剤を塗布することなく金属-繊維強化樹脂プリプレグを得ることができる。
また、金属箔を両面に重ね合わせることで、両面に金属層が形成された金属-繊維強化樹脂プリプレグを得ることも可能である。
In the production of this metal-fiber reinforced resin prepreg, reinforcing fiber bundles, resin films, and metal sheets are stacked in this order, and by heating and pressurizing them, the molten resin film impregnates or semi-impregnates the reinforcing fiber bundles, and The molten resin film is fused and integrated with the metal foil. With such a configuration, a metal-fiber reinforced resin prepreg can be obtained without applying an adhesive.
Furthermore, by overlapping metal foils on both sides, it is also possible to obtain a metal-fiber reinforced resin prepreg with metal layers formed on both sides.
本発明の繊維強化樹脂チョップ材は、このようにして得られた前記構成の金属-繊維強化樹脂プリプレグを、厚さが10~250μm、幅が3~30mm、長さが5~100mmの矩形状に裁断することで、強化繊維を含む熱可塑性樹脂層と金属層とを有する繊維強化樹脂チョップ材を構成している点に特徴がある。 The fiber-reinforced resin chopped material of the present invention is obtained by combining the thus obtained metal-fiber-reinforced resin prepreg with the above structure into a rectangular shape having a thickness of 10 to 250 μm, a width of 3 to 30 mm, and a length of 5 to 100 mm. It is characterized in that by cutting into pieces, a fiber-reinforced resin chopped material having a thermoplastic resin layer containing reinforcing fibers and a metal layer is formed.
ここで、前記繊維強化樹脂チョップ材における強化繊維の含有量は、少なすぎると十分な強度が得られず、多すぎると強化繊維束に溶融した樹脂が十分に含侵されず十分な強度が得られないばかりか、プレス成形等における曲げや絞りによって破断し易くなる不具合を呈する。
そのため、繊維強化樹脂チョップ材における強化繊維の目付量は5~50g/m2とするのが好ましい。
Here, if the reinforcing fiber content in the fiber-reinforced resin chopped material is too small, sufficient strength will not be obtained, and if it is too large, the molten resin will not be sufficiently impregnated into the reinforcing fiber bundles and sufficient strength will not be obtained. Not only does it not work, but it also has the problem of being easily broken by bending or drawing during press molding or the like.
Therefore, it is preferable that the basis weight of the reinforcing fibers in the fiber-reinforced resin chopped material is 5 to 50 g/m 2 .
上記の構成のほか、本発明においては、前記繊維強化樹脂チョップ材を、強化繊維の繊維方向を二次元方向にランダムに配向するとともに、厚さ方向に複数積層し、加熱加圧して接着一体化した中間材料としての繊維強化樹脂複合材とすることも可能である。 In addition to the above configuration, in the present invention, the fiber reinforced resin chopped material is randomly oriented in a two-dimensional direction with the fiber direction of the reinforcing fibers, and multiple layers are laminated in the thickness direction and bonded and integrated by heating and pressing. It is also possible to use a fiber-reinforced resin composite material as an intermediate material.
一般的に繊維強化樹脂シートは、強化繊維の長手方向に対しては優れた強度を有し、曲げ剛性も高くなる等の機械的物性を有するが、それと直交する方向には強度が低く、曲がりやすいという機械的物性における異方性を有する。
しかし、本発明の繊維強化樹脂複合材は、所定寸法に裁断されて形成された繊維強化樹脂チョップ材を、強化繊維の繊維方向を二次元方向にランダムに配向することで、強化繊維が一方向に揃うことなく全方向に散在するため、全方向に対して優れた強度や高い曲げ剛性等の機械的物性を有する。
In general, fiber-reinforced resin sheets have mechanical properties such as excellent strength and high bending rigidity in the longitudinal direction of the reinforcing fibers, but have low strength in the direction perpendicular to the longitudinal direction and bend. It has anisotropy in mechanical properties such that it is easy to use.
However, in the fiber-reinforced resin composite material of the present invention, the fiber-reinforced resin chopped material, which is cut into predetermined dimensions, is randomly oriented in two-dimensional directions so that the reinforcing fibers are unidirectional. Because they are scattered in all directions without being aligned, they have mechanical properties such as excellent strength and high bending rigidity in all directions.
また、本発明の繊維強化樹脂複合材における強化繊維は、連続繊維状ではなく、繊維強化樹脂チョップ材の長さに応じた非連続の繊維となっているため、繊維強化樹脂複合材をプレス成形する際、軟化した熱可塑性樹脂の変形に伴って、繊維強化樹脂チョップ材中の強化繊維が容易に流動したり変形したりする。 In addition, since the reinforcing fibers in the fiber-reinforced resin composite material of the present invention are not continuous fibers but discontinuous fibers depending on the length of the fiber-reinforced resin chopped material, the fiber-reinforced resin composite material is press-molded. When doing so, the reinforcing fibers in the fiber-reinforced resin chop material easily flow and deform as the softened thermoplastic resin deforms.
さらに、導電性の強化繊維を用いた場合には、厚さ方向に複数積層して接着一体化することで、繊維強化樹脂チョップ材中の金属層の表面同士、あるいは金属層の表面と導電性の強化繊維を接触させるように積層することとなり、繊維強化樹脂複合材全体として一枚の導電性シートのような性質を有する。 Furthermore, when using conductive reinforcing fibers, by laminating multiple layers in the thickness direction and bonding them together, the surfaces of the metal layers in the fiber-reinforced resin chopped material can be bonded to each other or with the surfaces of the metal layers. The reinforcing fibers are laminated so that they are in contact with each other, and the fiber-reinforced resin composite material as a whole has properties like a single conductive sheet.
この場合、繊維強化樹脂チョップ材の積層の間に別の熱可塑性樹脂層を介することもでき、こうすることで、導電性を有する層が絶縁層を介して複数重なった構成とすることも可能である。 In this case, another thermoplastic resin layer can be interposed between the laminated fiber-reinforced resin chopped materials, and by doing so, it is also possible to create a structure in which multiple conductive layers are stacked with insulating layers interposed therebetween. It is.
前記繊維強化樹脂複合材を成形することで、所定の形状の樹脂成形品を形成することが可能である。成形においては、平面的な打ち抜き加工や、立体的なプレス成形加工が好適に用いられ、深い絞りや複雑な3次元曲線を有するような形状であっても精度よく成形することができる。 By molding the fiber-reinforced resin composite material, it is possible to form a resin molded product with a predetermined shape. In molding, planar punching or three-dimensional press molding is preferably used, and even shapes with deep drawings or complex three-dimensional curves can be molded with high precision.
本発明では、熱可塑性樹脂層と前記金属層とを、融着一体化して接着剤層を含まない構成としたことにより、繊維強化樹脂チョップ材に裁断する前の金属-繊維強化樹脂プリプレグの生産において接着剤を塗布する必要がないため、材料費を低減して製造時間を短縮することを可能としたばかりでなく、金属-繊維強化樹脂プリプレグにおける層間の密着強度の向上と均一化を実現可能とした。 In the present invention, the thermoplastic resin layer and the metal layer are fused and integrated to create a structure that does not include an adhesive layer, thereby producing metal-fiber reinforced resin prepreg before cutting into fiber reinforced resin chopped materials. Since there is no need to apply adhesive in the process, it is not only possible to reduce material costs and shorten manufacturing time, but also to improve and make uniform the adhesion strength between layers in metal-fiber reinforced resin prepreg. And so.
また、本発明の繊維強化樹脂チョップ材は、金属層を有することにより、積層して繊維強化樹脂複合材としたときに、複数の重なり合った繊維強化樹脂チョップ材の金属層の表面同士、あるいは導電性の強化繊維を用いた場合には、金属層の表面と導電性の強化繊維が接触するため、繊維強化樹脂複合材全体として一枚の導電性シートのような性質を有する。
そのため、従来、電極板やその他金属板を用いていた各機能性部品を本発明の繊維強化樹脂チョップ材で代替することが可能となり、軽量でありながらも高強度な構造部品を得ることができる。
Furthermore, since the fiber-reinforced resin chopped material of the present invention has a metal layer, when it is laminated to form a fiber-reinforced resin composite material, the surfaces of the metal layers of the plurality of overlapping fiber-reinforced resin chopped materials can be connected to each other, or conductive. When conductive reinforcing fibers are used, the surface of the metal layer and the conductive reinforcing fibers come into contact with each other, so that the fiber-reinforced resin composite material as a whole has properties similar to a single conductive sheet.
Therefore, it becomes possible to replace various functional parts that conventionally used electrode plates and other metal plates with the fiber-reinforced resin chopped material of the present invention, making it possible to obtain lightweight yet high-strength structural parts. .
ここで、繊維強化樹脂複合材にした際に一面全体に金属層が表出するように構成する場合には、意匠上も繊維強化樹脂複合材全体において金属光沢を有する外観とすることができ、より一層金属部品との代替が容易となる。 Here, when a fiber reinforced resin composite material is constructed so that the metal layer is exposed over the entire surface, the entire fiber reinforced resin composite material can have a metallic luster appearance in terms of design. Substitution with metal parts becomes even easier.
また、繊維強化樹脂チョップ材の積層の間に別の熱可塑性樹脂層を介することで、導電性を有する層が絶縁層を介して複数重なった構成とした場合には、一つの部品で導電層ごとに異なった電気回路等と接続することができ、電気回路の一部として利用する上で空間の効率的な利用が可能となる。 In addition, if a structure is created in which multiple conductive layers are stacked with insulating layers interposed between the laminated layers of fiber-reinforced resin chopped material by interposing another thermoplastic resin layer, it is possible to Each can be connected to different electrical circuits, etc., and space can be used efficiently when used as part of an electrical circuit.
一方、繊維強化樹脂チョップ材における、強化繊維の厚さを1~30μm、熱可塑性樹脂層を厚さ5~100μm、金属層の厚さを1~200μmとすることで、金属-繊維強化樹脂プリプレグとしたときに金属層や強化繊維束が容易に脱落することがなく、繊維強化樹脂複合材としたときに、繊維強化樹脂チョップ材同士が確実に接着一体化することができる。 On the other hand, by setting the reinforcing fiber thickness to 1 to 30 μm, the thermoplastic resin layer to 5 to 100 μm, and the metal layer to 1 to 200 μm in the fiber reinforced resin chopped material, metal-fiber reinforced resin prepreg When this is done, the metal layer and reinforcing fiber bundles do not easily fall off, and when a fiber-reinforced resin composite material is formed, the fiber-reinforced resin chopped materials can be reliably bonded and integrated with each other.
また、繊維強化樹脂チョップ材の寸法においては、厚さを10~250μm、幅を3~30mm、長さを5~100mmの矩形状としたことで、積層して接着一体化した繊維強化樹脂複合材の曲げ加工において、強化繊維が溶融した熱可塑性樹脂中を流動したり変形したりしやすくなり、柔軟な加工が可能となるため、賦形性が向上する。
前記寸法は、大きすぎず小さすぎないため、強化繊維が二次元方向にランダムに配向しやすくなり、強度や加工性等の機械的物性が等方性となるため、構造部品として設計容易となる。
In addition, the dimensions of the fiber-reinforced resin chopped material are rectangular with a thickness of 10 to 250 μm, a width of 3 to 30 mm, and a length of 5 to 100 mm. During bending of the material, the reinforcing fibers can easily flow and deform in the molten thermoplastic resin, making flexible processing possible and improving formability.
Since the above dimensions are neither too large nor too small, the reinforcing fibers are easily oriented randomly in two-dimensional directions, and mechanical properties such as strength and workability are isotropic, making it easy to design as a structural component. .
特に、プレス加工等による樹脂成形品とした場合には、深絞り部分を有する形状や、小さな半径の角部を有する形状、鋭角な曲げ形状等、複雑な形状を持った樹脂成形品とすることが可能になる。 In particular, in the case of resin molded products made by press working, etc., the resin molded products should have complex shapes, such as shapes with deep drawn parts, shapes with small radius corners, and sharply bent shapes. becomes possible.
『実施例1』
本発明の実施例1について、図1~図4に基づいて説明する。なお、これらは実施例のひとつであり、本発明はこれらの図面に示す態様に限定されるものではない。
“Example 1”
Example 1 of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 4. Note that these are just examples, and the present invention is not limited to the embodiments shown in these drawings.
(繊維強化樹脂チョップ材の構成)
本実施例の繊維強化樹脂チョップ材1は、図1に示すように、厚さが約60μm、幅が約5mm、長さが約20mmの長方形の小片であり、強化繊維1c・1c…を含む熱可塑性樹脂層1aと、それに密着結合された金属層1bとから構成されている。なお、図1の断面図は説明の便宜のため厚さ方向を拡大して表示している。
(Composition of fiber reinforced resin chopped material)
As shown in FIG. 1, the fiber-reinforced resin chopped
強化繊維1c・1c…は、図1の断面図に示すように、熱可塑性樹脂層1aの外側寄りの部分に分布しており、熱可塑性樹脂層1aに埋没したような構成となっている。それ故、金属層1bと強化繊維1c・1c…とは、間に熱可塑性樹脂層1aが介在することにより非接触の状態となっている。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the reinforcing
熱可塑性樹脂層1aの強化繊維1c・1c…への含侵の程度については、本実施例では前述のとおり熱可塑性樹脂層1aの一方側に寄って埋没するように強化繊維1c・1c…が分布しているが、例えば熱可塑性樹脂層1aの全体に強化繊維1c・1c…が分布するように含侵させるようにしてもよい。この場合は、金属層1bと強化繊維1c・1c…の一部が接触した状態となる場合がある。
Regarding the degree of impregnation of the reinforcing
次に、本実施例の熱可塑性樹脂層1aは、強化繊維1c・1c…に含侵させる熱可塑性のマトリックス樹脂であり、薄肉の金属接着性を有する樹脂フィルムPを用いて形成することができる。
Next, the
本実施例では厚さ約20μmのPA9T(ポリアミド9T)から成るフィルムを用いているが、そのほかにも、PA6(ポリアミド6)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等を用いることもできる。
また、厚さも適宜選択することができるが、強化繊維1cへの含侵後の物性等を考慮し、5~100μmのものを用いることが好ましい。
In this example, a film made of PA9T (polyamide 9T) with a thickness of approximately 20 μm is used, but other materials such as PA6 (polyamide 6), PPS (polyphenylene sulfide), and PEEK (polyetheretherketone) may also be used. You can also do it.
Further, the thickness can be selected as appropriate, but it is preferable to use a thickness of 5 to 100 μm in consideration of the physical properties after impregnation into the reinforcing
PA6をはじめとするポリアミド樹脂は、その末端基としてカルボキシル基を有するため、水素結合による分子間力によって金属との接着性が高い樹脂である。しかし、無極性であるPE(ポリエチレン)等の樹脂であっても、表面にコロナ放電処理等の表面改質処理を施すことにより、親水性の極性官能基を生成し、濡れ性、接着性を向上させることができるため、必ずしも末端基として極性官能基を持つ樹脂を選定しなければならないことは無い。 Since polyamide resins such as PA6 have carboxyl groups as their terminal groups, they have high adhesion to metals due to intermolecular forces caused by hydrogen bonds. However, even with non-polar resins such as PE (polyethylene), by subjecting the surface to a surface modification treatment such as corona discharge treatment, hydrophilic polar functional groups are generated and wettability and adhesive properties are improved. Therefore, it is not necessarily necessary to select a resin having a polar functional group as a terminal group.
次に、金属層1bは、金属を薄く展伸して製造された金属箔Mを用いて形成することができ、本実施例では厚さ約10μmのアルミニウム箔を用いている。
金属箔Mはアルミニウム箔にも、純銅、洋白、りん青銅、ベリリウム銅、真鍮、チタン、ステンレス、ニッケル、パーマロイ、42アロイ、モリブデン、ニクロム、ニオブ、タンタル、亜鉛、錫、銀、コバール、銀ロウ、鉄、ジルコニウム、鉛等の金属を用いることができるが、アルミニウム、銅、鉄、ステンレスを用いるのが好ましい。
また、厚さも適宜選択することができるが、コストと諸特性の観点から、1μm~300μmのものを用いることが好ましく、1μm~200μmのものを用いることがより好ましい。
Next, the
Metal foil M also includes aluminum foil, pure copper, nickel silver, phosphor bronze, beryllium copper, brass, titanium, stainless steel, nickel, permalloy, 42 alloy, molybdenum, nichrome, niobium, tantalum, zinc, tin, silver, kovar, silver. Metals such as wax, iron, zirconium, and lead can be used, but aluminum, copper, iron, and stainless steel are preferably used.
Further, the thickness can be selected as appropriate, but from the viewpoint of cost and various properties, it is preferable to use a thickness of 1 μm to 300 μm, and more preferably a thickness of 1 μm to 200 μm.
アルミニウムは軽量かつ安価であり、美しい金属光沢を有するため、繊維強化樹脂チョップ材1としたときの意匠性を高めることができる。また、熱伝導率が高いうえ電気抵抗も低いことから、放熱目的や電気回路におけるグランド面の強化に用いることもできる。また、アルマイト処理後に染色することで、表面に種々の色彩を与えることができる。
Since aluminum is lightweight and inexpensive, and has a beautiful metallic luster, the design of the fiber-reinforced resin chopped
一方、純銅箔を選択した場合には、銅は熱伝導率が極めて高いうえ電気抵抗も極めて低いことから、放熱目的や電気回路におけるグランド面の強化に好適に用いることができる。また、電界の遮断効果に優れるため、高周波の電磁ノイズのシールドに用いることもできる。 On the other hand, when pure copper foil is selected, since copper has extremely high thermal conductivity and extremely low electrical resistance, it can be suitably used for heat dissipation purposes and for strengthening the ground plane in electric circuits. Furthermore, since it has an excellent electric field blocking effect, it can also be used to shield high frequency electromagnetic noise.
また、鉄やステンレスを選択した場合には、これらは熱伝導率が高いうえ電気抵抗も低いことから、放熱目的や電気回路におけるグランド面の強化に用いることができる。また、鉄やフェライト系ステンレスは表面を磁化することで磁気を用いた機能部品とすることもでき、磁界の遮断効果に優れるため、低周波の電磁ノイズのシールドに用いることもできる。 Furthermore, when iron or stainless steel is selected, since these have high thermal conductivity and low electrical resistance, they can be used for heat dissipation purposes and for strengthening the ground plane in electric circuits. In addition, iron and ferritic stainless steel can be made into functional parts that use magnetism by magnetizing their surfaces, and because they have excellent magnetic field blocking effects, they can also be used to shield low-frequency electromagnetic noise.
本実施例の金属層1bは、熱可塑性樹脂層1aと接する側の金属箔Mの表面にエッチング処理を施したものを用いている。エッチング処理により表面に微細な凹凸が形成され、あるいは薄い箔の場合には複数の微細な開孔が形成される。このように表面が粗面化することにより、表面から不純物を取り除くとともに、溶融した熱可塑性樹脂が凹凸や孔に入り込み固化することで、所謂アンカー効果を発揮する。それ故、分子間力や化学結合力による接着力に加え、機械的な結合力が付加され、熱可塑性樹脂層1aと金属層1bとの層間接着をより強固なものにすることができる。
粗面化処理はエッチング以外にも、研磨やレーザ処理、アルマイト処理を施すことも効果的である。
The
In addition to etching, polishing, laser treatment, and alumite treatment are also effective for surface roughening treatment.
次に、本実施例の強化繊維1cは、所定の繊維を炭素化して製造された厚さ約10μmの炭素繊維であり、繊維強化樹脂チョップ材1の製造においては多数の単繊維から構成される無撚の炭素繊維束(フィラメント)からなる強化繊維束Fを用いている。この強化繊維束Fはポリアクリロニトリル樹脂をアクリル繊維化して炭素化したPAN系炭素繊維を約5000~50000本を纏めた炭素繊維束であり、導電性を有する。
強化繊維1cはPAN系炭素繊維以外にも、コールタール等を原料として得られるピッチ繊維を用いたピッチ系炭素繊維を用いることもできる。また、炭素繊維以外にも、非導電性のガラス繊維やアラミド繊維等を強化繊維1cとすることもできる。
Next, the reinforcing
In addition to the PAN-based carbon fiber, the reinforcing
加えて、強化繊維束Fは、前記炭素繊維束にアミノ基を有するものや、N-メトキシメチル化ナイロンを主剤とするサイジング剤を塗布したものを用いている。これらのサイジング剤は炭素繊維を被覆して収束し、炭素繊維の損傷を抑えて取扱い易くなるとともに、熱可塑性樹脂層1aとの相溶性が高いため、溶融した樹脂の炭素繊維への含侵性が良好となる。
なお、水溶性エポキシ樹脂を主原料とするサイジング剤によって被覆された炭素繊維束を用いる場合には、熱可塑性樹脂との相溶性が良くないため、溶剤等により予めサイジング剤を除去する必要がある。
In addition, the reinforcing fiber bundle F is the carbon fiber bundle having an amino group or coated with a sizing agent mainly composed of N-methoxymethylated nylon. These sizing agents cover and converge the carbon fibers, suppressing damage to the carbon fibers and making them easier to handle.They also have high compatibility with the
In addition, when using carbon fiber bundles coated with a sizing agent whose main raw material is water-soluble epoxy resin, the sizing agent must be removed in advance with a solvent, etc., as the compatibility with the thermoplastic resin is poor. .
本実施例のように、強化繊維1cとして炭素繊維を用いた場合には、電気抵抗の低さと電磁波遮断特性に優れるため、軽量で強度に優れるとともに、電気回路におけるグランド面の強化や電磁ノイズのシールドの効果を発揮する。
As in this example, when carbon fiber is used as the reinforcing
繊維強化樹脂チョップ材1における強化繊維1c・1c…の含有量は、本実施例では、繊維強化樹脂チョップ材1における強化繊維1c・1c…の目付量が30g/m2となるように構成している。この目付量は適宜変更することができ、5~50g/m2とするこのが好ましい。
In this example, the content of the reinforcing
(繊維強化樹脂複合材の構成)
以上の構成による本実施例の繊維強化樹脂チョップ材1を用いた、シート状の繊維強化樹脂複合材2について、図2に基づいて説明する。
本実施例の繊維強化樹脂複合材2は、図2(a)に示すように、前記繊維強化チョップ材1・1…を、強化繊維1c・1c…の繊維方向を二次元方向にランダムに配向するとともに、図2(b)に示すように、厚さ方向に複数積層し、加熱加圧して接着一体化した中間材料である。
(Composition of fiber reinforced resin composite material)
A sheet-shaped fiber-reinforced
As shown in FIG. 2(a), the fiber-reinforced
本実施例では、複数の小片である繊維強化樹脂チョップ材1・1…を、強化繊維1c・1c…の繊維方向が二次元方向にランダムに配向するとともに、表側になる面が金属層1bである繊維強化樹脂チョップ材1と、強化繊維1c・1c…である繊維強化樹脂チョップ材1とがランダムに配置されるようにしている。
In this example, a plurality of small pieces of fiber-reinforced resin chopped
強化繊維1c・1c…の繊維方向を二次元方向にランダムに配向することで、引っ張り強さに優れる強化繊維1c・1c…の長手方向があらゆる方向に向くこととなり、疑似的に強度や曲げ剛性等の機械的物性が等方性を有するようになる。
By randomly orienting the fiber direction of the reinforcing
また、各繊維強化樹脂チョップ材1・1…は、厚さ方向には少なくとも2枚以上が重なるように積層しており、繊維強化樹脂チョップ材1・1同士が、金属層1b・1b同士が接触するものや、金属層1bと強化繊維1c・1c…とが接触するものが混在した状態となっている。
In addition, each of the fiber-reinforced resin chopped
このように、導電性の金属層1b・1b同士、或いは導電性の金属層1bと導電性の炭素繊維である強化繊維1c・1c…とが接触することにより、繊維強化樹脂複合材2全体として一枚の導電性シートを形成することとなり、成形することで構造部品や筐体部品とすることができるともに、その表面の導電性を利用して、電気回路におけるグランド面の強化や、選択する金属の種類によっては、電磁ノイズのシールドとして用いることもできるようになる。
In this way, by contacting the
本実施例では、上記のように繊維強化樹脂チョップ材1・1…を積層した状態で加圧及び加熱することにより、繊維強化樹脂チョップ材1の熱可塑性樹脂層1aが再度溶融して、積層した繊維強化樹脂チョップ材1・1…の熱可塑性樹脂層1a・1a…同士が一体となって固化することで、一枚のシート状の繊維強化樹脂複合材2が形成される。
In this example, by pressurizing and heating the fiber-reinforced resin chopped
なお、繊維強化樹脂チョップ材1・1…の熱可塑性樹脂層1a・1a…を再溶融させる方法以外にも、別個の熱可塑性樹脂からなるフィルムを密着させて、加圧及び加熱することで、溶融した樹脂と積層した繊維強化樹脂チョップ材1・1…とを融着一体化させることもできる。また、繊維強化樹脂チョップ材1・1…と別個の熱可塑性樹脂からなるフィルムを複数枚交互に積層して、多層の繊維強化樹脂複合材2としてもよい。
In addition to the method of remelting the
(繊維強化樹脂チョップ材及び繊維強化樹脂複合材の製造方法)
次に、本実施例の繊維強化樹脂チョップ材1及び繊維強化樹脂複合材2の製造方法について、図3に基づいて説明する。
まず、図3に示すように、複数本の炭素繊維からなる強化繊維束Fを幅方向に一定間隔で並べた後、これらの繊維束を幅広く、薄く開繊してシート状に形成している。
(Production method of fiber-reinforced resin chopped material and fiber-reinforced resin composite material)
Next, a method for manufacturing the fiber-reinforced resin chopped
First, as shown in Fig. 3, reinforcing fiber bundles F consisting of a plurality of carbon fibers are arranged at regular intervals in the width direction, and then these fiber bundles are spread wide and thin to form a sheet. .
この開繊処理は種々の方法を用いることができる。一例として、繊維束中に流体を通過させることで繊維を撓ませながら幅方向に移動させて開繊する流体開繊工程と、搬送される繊維束に対して接触部材を接触させたり離間させたりすることで弛張を繰り返す振動付与工程と、開繊された繊維束を幅方向に往復振動させる横振動付与工程とを含む開繊方法を採用することができる。 Various methods can be used for this fiber opening treatment. As an example, there is a fluid opening process in which the fibers are moved in the width direction while being bent by passing a fluid through the fiber bundle to spread the fibers, and a process in which a contact member is brought into contact with or separated from the fiber bundle being transported. By doing so, it is possible to adopt a fiber opening method that includes a vibration imparting step in which relaxation is repeated and a transverse vibration imparting step in which the spread fiber bundle is reciprocated in the width direction.
次に、送り出しロールR4によって送り出されたマトリックス樹脂となる樹脂フィルムPが、開繊された面状の強化繊維束Fに重ね合わされ、次いで、金属箔Mが樹脂フィルムPに重ね合わされる。
すなわち、面状の強化繊維束F-樹脂フィルムP-金属箔Mの順序となるようにそれぞれを重ね合わせ、加熱ロールR1・R1に導入し、挟み込んで加圧及び加熱して積層一体化する。このとき、樹脂フィルムPは、一方の面が金属箔Mの表面と融着一体化するとともに、他方の面が面状の強化繊維束Fに含侵する。
Next, the resin film P serving as the matrix resin sent out by the sending roll R 4 is superimposed on the spread planar reinforcing fiber bundle F, and then the metal foil M is superimposed on the resin film P.
That is, the planar reinforcing fiber bundle F - resin film P - metal foil M are stacked one on top of the other in this order, introduced into heating rolls R 1 and R 1 , sandwiched, pressed and heated to form a laminated body. do. At this time, one surface of the resin film P is fused and integrated with the surface of the metal foil M, and the other surface impregnates the planar reinforcing fiber bundle F.
本実施例では、面状の強化繊維束Fの全ての強化繊維1c・1c…がマトリックス樹脂からなる熱可塑性樹脂層1aに埋没するように完全含侵させているが、強化繊維束Fの強化繊維1c・1c…同士が結合一体化される程度に半含侵させるようにすることもできる。
また、本実施例では、熱可塑性樹脂層1aの片側に炭素繊維1c・1c…が寄った状態となるように形成されているが、加圧及び加熱の条件を調整することにより、熱可塑性樹脂層1a全体に強化繊維1c・1c…が分布するように形成することもできる。
In this example, all the reinforcing
Furthermore, in this example, the
そして、冷却ロールR2・R2で冷却固化することで、金属-繊維強化樹脂プリプレグ3を得ることができる。
加熱ロールR1・R1のロール間距離は、冷却固化後の金属-繊維強化樹脂プリプレグ3の厚さが約60μmとなるように調整されており、最終的な繊維強化樹脂チョップ材1の厚さがこの段階で決定される。
Then, by cooling and solidifying with cooling rolls R 2 and R 2 , a metal-fiber reinforced
The distance between the heating rolls R 1 and R 1 is adjusted so that the thickness of the metal-fiber-reinforced
次に、前記工程で得られた金属-繊維強化樹脂プリプレグ3を、5mm間隔で歯が並んだ円筒状のスリッターSに導入し、幅約5mmのテープ状に裁断する。次いで、テープ状の金属-繊維強化樹脂プリプレグ3を、幅方向に平行な歯が円弧長で20mm間隔となるように円筒面上に並んだカッターCに導入し、約50mmごとに裁断する。
これらスリッターSとカッターCとにより、金属-繊維強化樹脂プリプレグ3は幅が約5mm、長さが約20mmの長方形の小片に裁断され、繊維強化樹脂チョップ材1を得ることが出来る。
Next, the metal-fiber-reinforced
The metal-fiber-reinforced
本実施例では、繊維強化樹脂チョップ材1の製造に続いて繊維強化樹脂複合材2を製造する工程を連続して行っている。図3の下方に示すように、裁断された繊維強化樹脂チョップ材1・1…は、所定の高さからベルトコンベア上に自然落下する。
In this example, following the production of the fiber-reinforced resin chopped
このように自然落下させることで、繊維強化樹脂チョップ材1・1…を、強化繊維1c・1c…の繊維方向を二次元方向にランダムに配向するとともに、厚さ方向に複数積層させることができる。積層させる枚数は、ベルトコンベアの速度で調整することができるほか、落下する繊維強化樹脂チョップ材1・1…の一部を別のベルトコンベアで回収して、複数箇所に分けて自然落下させるようにしてもよい。
By allowing the fiber-reinforced resin chopped
また、自然落下させることで、表側になる面が金属層1bである繊維強化樹脂チョップ材1と、強化繊維1c・1c…である繊維強化樹脂チョップ材1とがランダムに配置されるようになる。
In addition, by allowing it to fall naturally, the fiber-reinforced resin chopped
積層される繊維強化樹脂チョップ材1・1…の面の向きについて、自然落下させる方法以外にも、カッターCで裁断したものを続けてベルトコンベアに整然と載置して送り出し、その後ベルトを振動させる等して細かく波打たせる方法が挙げられる。
Regarding the direction of the surface of the stacked fiber-reinforced resin chopped
このようにすることで、繊維強化樹脂チョップ材1・1…が飛び跳ねて向きを変えるとともに重なり合うため、表裏が裏返ることなく、二次元方向のみがランダムに配向した状態を作り出すことができる。
この場合、繊維強化樹脂複合材2の一方の面が金属層1bで統一され、他方の面が強化繊維1c・1c…の模様で統一された状態とすることができるため、意匠性が向上し、外観部品として利用する場合に好適である。
By doing this, the fiber-reinforced resin chopped
In this case, one surface of the fiber-reinforced
そして、ベルトコンベア上に配置した加熱ロールR1・R1に導入することで、積層された繊維強化樹脂チョップ材1・1…の熱可塑性樹脂層1a・1aが再度溶融して、積層した繊維強化樹脂チョップ材1・1…の熱可塑性樹脂層1a・1a…同士が一体となる。次いで、冷却ロールR2・R2に導入することにより、溶融した熱可塑性樹脂層1a・1a…が固化し、一枚のシート状の繊維強化樹脂複合材2が形成される。
Then, by introducing the heating rolls R 1 and R 1 placed on the belt conveyor, the
別個の熱可塑性樹脂からなるフィルムを密着させて、溶融した樹脂と積層した繊維強化樹脂チョップ材1・1…とを融着一体化させる場合には、ベルトコンベア上の加熱ロールR1・R1の前段に送り出しロールR4を配置して、別個のフィルムを積層した繊維強化樹脂チョップ材1・1…上に重ね合わせることで構成することができる(図示せず)。
When the melted resin and the laminated fiber-reinforced resin chopped
また、繊維強化樹脂チョップ材1・1…と別個の熱可塑性樹脂からなる樹脂フィルムを複数枚交互に積層する場合には、落下する繊維強化樹脂チョップ材1・1…の一部を別のベルトコンベアで回収して、前段で重ね合わせた別個のフィルム上に自然落下させ、さらにその上に別個のフィルムを重ね合わせるという構成とすることで、多層の繊維強化樹脂複合材2を得ることができる(図示せず)。
In addition, in the case of alternately laminating a plurality of resin films made of fiber-reinforced resin chopped
なお、樹脂フィルムPを加熱ロールR1・R1に送り出す方法として、本実施例のように巻出装置にセットしたボビンから送り出しロールR4により供給する方法以外にも、押出成形装置のTダイから樹脂フィルムPを押し出し、この樹脂フィルムPをフィルム冷却ロールで冷却固化した後、所定幅にスリットして加熱ロールR1・R1に送り出す連続的な工程とすることもできる(図示せず)。 Note that as a method for feeding the resin film P to the heating rolls R1 and R1 , in addition to the method of feeding the resin film P from the bobbin set in the unwinding device to the feeding roll R4 as in this embodiment, there is also a method using the T-die of the extrusion molding device. It can also be a continuous process in which the resin film P is extruded from the film, the resin film P is cooled and solidified by a film cooling roll, and then slit into a predetermined width and sent to the heating rolls R 1 and R 1 (not shown). .
(樹脂成形品の構成)
以上のような製造方法により製造された本実施例の繊維強化樹脂複合材2は、種々の加工方法により所定の形状に成形した樹脂成形品4とすることができ、例えば、図4に示すように、金型を用いて加熱及び加圧するプレス加工によって、電子部品を実装した基板Bを収納する電化製品のケース体とすることができる。
(Composition of resin molded product)
The fiber-reinforced
この樹脂成形品4は、略直方体の箱状に深く絞られており、四隅に他の構造部品とねじで固定するためのねじ穴を有するフランジ部4a・4a…が形成されるとともに、底面部には基板Bを載置固定するためのボス部4b・4b…が形成されている。なお、図4の断面図では基板Bが記載されているが、同図斜視図では基板Bを省略して記載している。
This resin molded
この点、単一方向の強化繊維シートや平織の強化繊維シートを用いた繊維強化樹脂シートをプレス成形する場合には、フランジ部4a・4a…やボス部4b・4b…のように、半径の小さな角部を有する絞り形状においては、強化繊維シートの柔軟性が乏しいため、繊維束が部分的に集中したり、分散したり、場合によっては折り重なってしまう。 In this regard, when press-molding a fiber-reinforced resin sheet using a unidirectional reinforced fiber sheet or a plain-woven reinforced fiber sheet, the radius In a constricted shape having small corners, the reinforcing fiber sheet has poor flexibility, so that the fiber bundles may be partially concentrated, dispersed, or even overlap.
しかし、本実施例の繊維強化樹脂複合材2を用いた場合には、繊維強化樹脂チョップ材1・1…を積層して接着一体化しているため、プレス加工時に溶融した熱可塑性樹脂中を強化繊維1c・1c…が流動したり変形したりしやすくなり、加工性が良好となって金型の形状に容易に追従する。そのため、賦形性が向上し、このような深い絞りや半径の小さい角部であっても寸法精度よく成形することができる。
However, when the fiber-reinforced
また、本実施例の樹脂成形品4は、炭素繊維とアルミニウム箔を用いた繊維強化樹脂チョップ材1・1…が複数積層したものであるため、肉厚の薄いケース体であっても基板Bの保持及びその他構造物への取付けにおいて十分な強度を有するとともに、電化製品全体の軽量化に寄与する。
Moreover, since the resin molded
さらに、基板B上の電子部品から発生する熱を効率よく樹脂成形品4全体に伝導し、外気に放出することができる。
また、基板Bを樹脂成形品4で覆うことにより、基板B或いは電子部品から発生する電磁ノイズが外気に放射されるのを遮断することができ、金属層1bに銅系や鉄系の箔を用いた場合には、より効果的に遮断することができる。
Furthermore, the heat generated from the electronic components on the board B can be efficiently conducted throughout the resin molded
Furthermore, by covering the board B with the resin molded
このように、本実施例の繊維強化樹脂チョップ材1は、それを用いた繊維強化樹脂複合材2とすることで、複雑な3次元形状であっても容易に成形することができ、成形加工によって得られた樹脂成形品4は、軽量でありながら優れた強度を有するとともに、金属のもつ種々の機能性を発揮することができる。
したがって、これまで金属によってのみ構成することができた構造部品や機能性部品に取って代わることで、より高い付加価値を提供することができる。
In this way, the fiber-reinforced resin chopped
Therefore, higher added value can be provided by replacing structural and functional parts that could previously only be made of metal.
本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は図示の実施の形態に限定されるものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、繊維強化樹脂複合材の片面あるいは両面に別の樹脂フィルムを融着一体化して、表面が絶縁された状態としてもよいし、色彩や模様を有する樹脂フィルムを融着一体化して、意匠性を高めた繊維強化樹脂複合材であってもよい。 Although the present invention is generally configured as described above, the present invention is not limited to the illustrated embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. Another resin film may be fused and integrated on one or both sides of the fiber-reinforced resin composite material so that the surface is insulated, or a colored or patterned resin film may be fused and integrated to enhance the design. It may also be a reinforced fiber-reinforced resin composite material.
また、繊維強化樹脂複合材の一部に異なる構成の繊維強化樹脂チョップ材を積層することで、部分的に物性の異なる繊維強化樹脂複合材としてもよく、いずれも本発明の技術的範囲に属する。 Furthermore, by laminating fiber-reinforced resin chopped materials with different configurations on a part of the fiber-reinforced resin composite material, a fiber-reinforced resin composite material having partially different physical properties may be obtained, and both fall within the technical scope of the present invention. .
1 繊維強化樹脂チョップ材
1a 熱可塑性樹脂層
1b 金属層
1c 強化繊維
2 繊維強化樹脂複合材
3 金属-繊維強化樹脂プリプレグ
4 樹脂成形品
4a フランジ部
4b ボス部
R1 加熱ロール
R2 冷却ロール
R3 引き取りロール
R4 送り出しロール
B 基板
C カッター
F 強化繊維束
M 金属箔
P 樹脂フィルム
S スリッター
1 Fiber reinforced resin chopped material
1a Thermoplastic resin layer
1b metal layer
4a Flange part
4b Boss part R 1 Heating roll R 2 Cooling roll R 3 Take-up roll R 4 Delivery roll B Substrate C Cutter F Reinforced fiber bundle M Metal foil P Resin film S Slitter
Claims (4)
前記熱可塑性樹脂層と前記金属層とは、接着剤層を含まず融着一体化されて構成され、
前記熱可塑性樹脂層は、厚さが5~100μmであるとともに、長手方向に向きを揃えて配列された厚さ1~30μmの強化繊維を含み、
前記金属層は、厚さが1~200μmであり、
前記熱可塑性樹脂層と前記金属層とが融着一体化した状態において、厚さが10~250μm、幅が3~30mm、長さが5~100mmであることを特徴とする繊維強化樹脂チョップ材。 A fiber-reinforced resin chopped material consisting of a thermoplastic resin layer containing reinforcing fibers and a metal layer,
The thermoplastic resin layer and the metal layer are fused and integrated without an adhesive layer,
The thermoplastic resin layer has a thickness of 5 to 100 μm and includes reinforcing fibers of 1 to 30 μm thick arranged in the same direction in the longitudinal direction,
The metal layer has a thickness of 1 to 200 μm,
A fiber-reinforced resin chopped material characterized in that the thermoplastic resin layer and the metal layer have a thickness of 10 to 250 μm, a width of 3 to 30 mm, and a length of 5 to 100 mm in a state in which the thermoplastic resin layer and the metal layer are fused and integrated. .
A resin molded article using the fiber reinforced resin composite material according to claim 3.
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