JP7397600B2 - 樹脂複合体、及び、樹脂複合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は樹脂複合体に関し、より詳しくは、樹脂発泡体で構成された芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材で構成された繊維強化樹脂層とを備えた樹脂複合体に関する。

従来、樹脂発泡体で構成された芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材で構成された繊維強化樹脂層とを備え、該繊維強化樹脂層によって前記芯材が覆われている樹脂複合体が各種の用途に用いられている。
この種の樹脂複合体は、軽量でありながら高い強度を有することが求められている（下記特許文献１参照）。

特開２０１５－１９３１１９号公報

上記の特許文献１に記載されている樹脂複合体では繊維強化樹脂層の樹脂をある程度芯材の表層部に侵入させることで繊維強化樹脂層と芯材との間に高い接合強度を発揮させている（特許文献１の段落００３８等参照）。
しかしながら、必要以上の量の樹脂を芯材に浸透させると樹脂複合体の軽量性を低下させる要因となる。
さらに、特許文献１に記載されている樹脂複合体では、本来、繊維強化樹脂層を構成すべきはずの樹脂が芯材に浸透してしまって繊維強化樹脂層に樹脂不足を招くおそれがある。
そのようなことから、従来の樹脂複合体は、優れた強度と優れた軽量性との両立を図ることが困難であるという問題を有する。
そこで本発明はこのような問題を解決すべくなされたもので、強度と軽量性とに優れた樹脂複合体を提供することを課題としている。

本発明は、上記課題を解決すべく、樹脂発泡体で構成された芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材で構成された繊維強化樹脂層とを備え、該繊維強化樹脂層によって前記芯材が覆われている樹脂複合体であって、前記繊維強化樹脂層との界面を構成している前記芯材の表層部は、前記繊維強化樹脂層から滲出した樹脂が浸透している浸透領域が全く形成されていないか、又は、最大深さが１００μｍ以下となるように前記浸透領域が形成されているかの何れかである樹脂複合体を提供する。

本発明では、繊維強化樹脂層から滲出した樹脂が芯材に全く浸透していないか、浸透していたとしても僅かな量となるため繊維強化樹脂層に樹脂不足を招くおそれが抑制されるとともに芯材に浸透した樹脂によって外観が損なわれるおそれや、軽量性が損なわれるおそれも抑制させ得る。
即ち、本発明によれば強度と軽量性とに優れた樹脂複合体が提供され得る。

一実施形態の樹脂複合体を示した概略斜視図である。 樹脂複合体の断面図（図１のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図）。 樹脂複合体の分解図。 図２における破線部分（ＩＶ）を拡大した要部拡大断面図。

以下に本発明の実施の形態について、本発明の樹脂複合体がサンドウィッチパネルとして利用される場合を例にして説明する。
まず、本実施形態に係る樹脂複合体について図を参照しつつ説明する。

図１、２にも示されているように本実施形態に係るサンドウィッチパネル１００は、板状の芯材１の両面に繊維強化樹脂層２が積層されており、２つの繊維強化樹脂層２の間に芯材１が挟まれた構造を有している。
即ち、サンドウィッチパネル１００は、一方の表面１００ａを構成する第１の繊維強化樹脂層２ａと、他方の表面１００ｂを構成する第２の繊維強化樹脂層２ｂとを備えている。
また、本実施形態のサンドウィッチパネル１００における前記芯材１は、一面側が第１の繊維強化樹脂層２ａで覆われているとともに他面側が第２の繊維強化樹脂層２ｂで覆われている。
本実施形態においては、前記芯材１は、これらの繊維強化樹脂層２ａ，２ｂに直接的に接している。

第１の繊維強化樹脂層２ａ及び第２の繊維強化樹脂層２ｂは、シート状の繊維強化樹脂材２０によって構成されている。
本実施形態における第１の繊維強化樹脂層２ａ及び第２の繊維強化樹脂層２ｂは、図３、図４に示したように芯材１を構成している板状の樹脂発泡体１ｘの第１面１ａと該第１面１ａとは反対面となる第２面１ｂとにそれぞれ繊維強化樹脂材２０が積層されることによって形成されている。
即ち、前記第１面１ａ及び前記第２面１ｂのそれぞれは、本実施形態においては、芯材１と繊維強化樹脂層２との界面ＸＳを構成している。

前記樹脂発泡体１ｘの前記第１面１ａ及び前記第２面１ｂは、図に示すように、それぞれの表面を構成する気泡の気泡膜（樹脂膜）によって構成された表皮１ｓによって全体が覆われている。
本実施形態の前記繊維強化樹脂材２０は、図４に示すように、繊維と樹脂とを含んでいる。
具体的には、本実施形態の前記繊維強化樹脂材２０は、複数本の連続繊維が束ねられてなる糸を使って織製された基布２１と該基布２１に含浸担持された樹脂２２とを有する。

本実施形態のサンドウィッチパネル１００では、前記芯材１と前記繊維強化樹脂層２とが一体化されており、これらは前記繊維強化樹脂材２０の前記樹脂２２と前記表皮１ｓとが直接的に接着することによって一体化されている。

本実施形態のサンドウィッチパネル１００では、前記繊維強化樹脂層２から滲出した樹脂２２が前記表皮１ｓを超えて芯材側に浸透している浸透領域が全く形成されていないか、又は、前記浸透領域が形成されていたとしても当該浸透領域における前記樹脂２２の浸透している最大深さ（芯材と繊維強化樹脂層との界面ＸＳに直交する方向での最大深さ）が１００μｍ以下である。

芯材１の表層部に多量の樹脂２２を浸透させるとサンドウィッチパネル１００に十分な軽量性を発揮させ難いが本実施形態では樹脂２２を芯材１に全く浸透させていないか芯材１に樹脂２２が浸透していたとしても僅かであることからサンドウィッチパネル１００に優れた軽量性を発揮させ得る。
しかも、芯材１に多量の樹脂２２を浸透させると繊維強化樹脂層２に樹脂不足が起こって繊維強化樹脂層２の外観が損なわれるおそれや、強度が十分に発揮されなくなるおそれがあるが、本実施形態においては前記繊維強化樹脂材２０の前記樹脂２２の多くが芯材側に奪われてしまうことがないため繊維強化樹脂層２に優れた強度が発揮され得る。

繊維強化樹脂層に樹脂不足が生じると、繊維強化樹脂層を構成する繊維の間に微小な気泡（ボイド）が生じるおそれがある。
繊維強化樹脂層は、このようなボイドがあると美観が損なわれるおそれがある。
また、このようなボイドは、繊維強化樹脂層の表面にクラックなどを発生させる原因ともなり得る。
そのため、本実施形態の樹脂複合体は、表面におけるボイドの面積割合（ボイド率）が１％以下であることが好ましい。
該ボイド率は、０．５％以下であることがより好ましい。
該ボイド率は、実施例において記載されている方法によって測定することができる。

尚、本実施形態のサンドウィッチパネル１００では、芯材１の表面（１ａ，１ｂ）に極めて近い部分にのみ前記樹脂２２が浸透している。
樹脂２２の浸透している領域（浸透領域１１）の前記界面ＸＳからの最大深さ（Ｄ）は、前記の通り１００μｍ以下であり、該浸透領域よりも深い部分は樹脂２２の浸透していない非浸透領域１２となっている。

前記浸透領域１１は、平均深さが７０μｍ以下であることが好ましく、平均深さが５０μｍ以下であることがより好ましく、平均深さが３０μｍ以下であることが特に好ましい。
前記平均深さは、前記界面ＸＳと直交する方向にサンドウィッチパネル１００を切断することによって現れる断面において前記界面ＸＳに沿った方向での一定長さ（Ｌ）の区間において前記樹脂が浸透している部分の断面積（Ｓａ）を求め、この断面積（Ｓａ）を長さ（Ｌ）で除して求めることができる。

前記芯材１は、独立起泡性に優れることで高い圧縮強度を発揮し得る。
したがって、前記芯材１の連続気泡率は、例えば、４０％以下であることが好ましく、３５％以下であることがより好ましく、２５％以下であることがさらに好ましく、１５％以下であることがとりわけ好ましい。

前記芯材１の連続気泡率は、該芯材１を構成する樹脂発泡体から、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍのシート状サンプルを複数枚切り出し、切り出したサンプルを空間があかないよう重ね合わせて厚さ５０ｍｍとした試験片を用いて求めることができる。
具体的には、試験片の外寸をミツトヨ社製「デジマチックキャリパ」を用いて、１／１００ｍｍまで測定して試験片の見掛けの体積（ｃｍ^３）を求め、次に、空気比較式比重計１０００型（東京サイエンス社製）を用いて、ＡＳＴＭ Ｄ２８５６－８７の１－１／２－１気圧法により試験片の体積（ｃｍ^３）を求め、下記式により連続気泡率（％）を計算により求めることができる。
尚、連続気泡率は、例えば、５つの試験片についての平均値として求められる。

連続気泡率（％）＝１００×（見かけ体積－空気比較式比重計測定体積）／見かけ体積

尚、上記の測定は、試験片をＪＩＳ Ｋ７１００：１９９９の記号２３／５０、２級の環境下で１６時間保管した後、ＪＩＳ Ｋ７１００：１９９９の記号２３／５０、２級の環境下で行うこととする。
また、空気比較式比重計は、標準球（大２８．９６ｃｃ 小８．５８ｃｃ）にて補正を行ったものを用いることとする。

上記のような連続気泡率の低い樹脂発泡体でサンドウィッチパネル１００を構成させることで、繊維強化樹脂層２から滲出した樹脂が芯材１に浸透することを抑制でき、当該サンドウィッチパネル１００を軽量性と強度とに優れたものとすることができる。

このサンドウィッチパネル１００のような樹脂複合体は、以下の（ａ）、（ｂ）のような工程を順に実施するような方法で製造できる。
（ａ）発泡体作製工程
（ｂ）被覆工程
以下に、各工程について説明する。

（ａ）発泡体作製工程
該発泡体作製工程は、芯材となる樹脂発泡体を作製する工程である。
樹脂発泡体は、押出発泡法によって形成されたシート（押出発泡シート）やロッド（押出発泡ロッド）などとすることができる。
また、樹脂発泡体は、発泡性を有する発泡性樹脂ビーズや樹脂ブロックを成形型内で発泡させた成形品（型内成形品）であってもよい。
なかでも、樹脂発泡体は、押出発泡シートであることが好ましく、厚さが０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。
尚、この工程では、繊維強化樹脂層２が形成される表面全体に表皮が備わった状態となるように樹脂発泡体を作製することが好ましい。
即ち、この工程では、最表層を構成する複数の気泡が互いの気泡膜どうしを連続させて表皮を構成している状態となるように樹脂発泡体を作製することが好ましい。

（ｂ）被覆工程
該被覆工程は、発泡体作製工程で作製した樹脂発泡体１ｘの表面を前記繊維強化樹脂材２０で覆って該繊維強化樹脂材２０によって前記繊維強化樹脂層２を形成させる工程である。
該被覆工程は、樹脂発泡体１ｘと繊維強化樹脂材２０とを加熱条件下で加圧する方法によって実施することができ、具体的には熱プレス装置を用いて樹脂発泡体と繊維強化樹脂材とを接着・一体化させる方法などによって実施することができる。

前記被覆工程での加熱温度や圧力は、製造する樹脂複合体の大きさや形状、繊維強化樹脂材や樹脂発泡体の素材などに応じて適宜決定すればよい。
但し、前記繊維強化樹脂材２０の樹脂２２が前記樹脂発泡体１ｘに過度に浸透してしまわないようにするためには、この時の圧力や温度を一般的な条件に比べて緩和させることが好ましい。

前記繊維強化樹脂材の樹脂は、熱硬化性ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などといった熱硬化性樹脂であることが繊維強化樹脂層２に対して優れた強度を発揮させる上において有利である。
なかでも、前記繊維強化樹脂材の前記樹脂は、樹脂発泡体の素材に関係なく優れた接着性を発揮することができるエポキシ樹脂を含有することが好ましい。

前記繊維強化樹脂材の樹脂は、熱可塑性ポリウレタン樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂などといった熱可塑性樹脂であってもよい。

このような樹脂とともに繊維強化樹脂材を構成する繊維は、ガラス繊維や炭素繊維などとすることができる。
即ち、本実施形態の前記基布２１は、ガラスクロスやカーボンクロスとすることができる。
尚、本実施形態の繊維強化樹脂材は、布帛の状態で繊維を含有しているが、前記繊維を短繊維などの状態で含有してもよい。
本実施形態の繊維強化樹脂材は、一方向に引き揃えられた炭素繊維で構成されている繊維シート（以下「カーボンＵＤ」ともいう）の状態で繊維を含有してもよい。

このような繊維強化樹脂材とともに樹脂複合体を構成する樹脂発泡体（芯材）は、ポリカーボネート樹脂発泡体、ポリスチレン樹脂発泡体、ポリオレフィン樹脂発泡体、ポリアミド樹脂発泡体、ポリエステル樹脂発泡体、一般的なアクリル系樹脂発泡体などといった樹脂発泡体で構成させてもよい。
また、本実施形態の樹脂発泡体（芯材）は、スチレン－（メタ）アクリル酸エステル－無水マレイン酸共重合体（ＳＭＭ樹脂）を主成分として含有するものであってもよい。
なかでも、樹脂発泡体に含有される樹脂は、前記被覆工程での加熱条件や加圧条件において一定以上の強度を発揮して繊維強化樹脂材の樹脂が浸透することを抑制できるものが好ましく、ポリエチレンテレフタレート樹脂のような耐熱性・密着性に優れているものが最も好ましい。

前記樹脂発泡体としては、例えば、５０ｋｇ／ｍ^３以上７００ｋｇ／ｍ^３以下の見掛け密度を有するものを採用することができる。
前記見掛け密度は、１００ｋｇ／ｍ^３以上６００ｋｇ／ｍ^３以下であることが好ましく、２００ｋｇ／ｍ^３以上５００ｋｇ／ｍ^３以下であることがより好ましい。

樹脂発泡体の見掛け密度は、ＪＩＳ Ｋ７２２２：２００５「発泡プラスチック及びゴム－見掛け密度の求め方」記載の方法で測定することができる。
即ち、見掛け密度は、原則的には次のようにして求めることができる。
（見掛け密度測定方法）
１００ｃｍ^３以上の試験片を材料の元のセル構造を変えない様に切断し、その質量を測定し、次式により算出することができる。

見掛け密度（ｇ／ｃｍ^３）＝試験片質量（ｇ）／試験片体積（ｃｍ^３）

尚、測定用試験片は、成形が施された後、７２時間以上経過した試料から切り取り、温度２３±２℃、湿度５０±５％の雰囲気条件に１６時間以上放置したものとする。

本実施形態の樹脂複合体やその製造方法には、必要に応じて各種の変更を加え得る。
また、本実施形態では樹脂複合体がサンドウィッチパネルである場合を例にしているが本発明での樹脂複合体の形態はこれらに限定されない。
即ち、本発明は、上記例示に何等限定されるものではない。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
（樹脂複合体の成形）
ポリエチレンテレフタレートを主成分とするシート状の発泡体（発泡シート）から厚さ約３ｍｍ、大きさ１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサンプルを切り出して芯材とした。
同じく１５０ｍｍ×１５０ｍｍにカットしたカーボンＦＲＰプリプレグ（以下、「ＣＦＲＰ１」という）を２０枚及びガラスＦＲＰプリプレグ（以下、「ＧＦＲＰ１」という）を２枚用意し、芯材の上面側に外周縁が揃うように、１０枚のＣＲＦＰ１を重ねた後、最も外側のＣＲＦＰ１の表面に１枚のＧＦＲＰ１を重ねた。
尚、上記のＣＦＲＰ１は、一方向に引き揃えられた炭素繊維で構成されているカーボンＵＤであり、芯材に重ねるのに際しては、上下に隣り合うＣＲＦＰの繊維の方向が直交するようにした。
同じように芯材の下面側に、１０枚のＣＲＦＰ１を重ねた後、最も外側のＣＲＦＰ１の表面に１枚のＧＦＲＰ１を重ねて、予備成形体を作製した。
なお、各プリプレグは、樹脂としてエポキシ樹脂を含むものであった。
ＣＲＦＰ１及びＧＦＲＰ１の構成は以下の表１に示した通りである。
この予備成形体を加熱状態下において、雌雄金型にてプレスして、芯材の上下面に１０枚のＣＦＲＰ１及び１枚のＧＦＲＰ１からなる繊維強化樹脂層が形成された樹脂複合体を作製した。
具体的には、雌雄金型内において、予備成形体をプレスしつつ、温度１２０～１３０℃にて１０分間加熱して、ＣＦＲＰ１中のエポキシ樹脂及びＧＦＲＰ１中のエポキシ樹脂を完全に硬化させる（硬化工程）ことにより、樹脂複合体を作製した。
樹脂複合体の厚さを測定した結果、元の芯材の厚さと比べ、樹脂複合体作製後の芯材の厚さ残存率は６２．１％であった。
なお、樹脂複合体の厚さは両面を２００ｍｍ×２００ｍｍの平滑な金属板で挟み、金属板同士の隙間を測定することで、樹脂複合体の厚さとした。
金属板同士の隙間は、ミツトヨ社製「デジマチックキャリパ」を用いて、樹脂複合体４辺中央部を１／１００ｍｍの精度で測定し、４辺隙間の算術平均を複合体の厚さとした。
更に繊維強化樹脂層の厚さを１．００ｍｍとして、樹脂複合体の厚さより差し引いた値を樹脂複合体作製後の芯材の厚さとし、芯材の元の厚さで除することで芯材の厚さ残存率とした。

（断面観察）
表面と直交する平面に沿って樹脂複合体を切断し、繊維強化樹脂層の断面をマイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ，ＶＨＸ－１０００）で５０倍にて観察した。
繊維強化樹脂層と芯材の界面を観察し、繊維強化樹脂層から滲出した樹脂が芯材に最も深く浸透している箇所を特定し、界面から浸透している樹脂の先端までの長さを測定し最大樹脂深度として算出した。

（外観評価：ボイド率の測定）
各実施例、比較例の樹脂複合体については、以下のようにして「表面品質」を測定した。
樹脂複合体の表面に真球状微粒子ポリマーであるテクポリマー（積水化成品工業、ＭＢＸ－８、粒径：８μｍ）をまぶし、ボイド部に粒子が押し込まれるようにウエス等でなじませた。
ボイド部に残存する粒子以外はウエス等で除去した。
マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ，ＶＨＸ－１０００）にて２０倍で樹脂複合体の表面を観察し、色抽出によりボイド部を判別し、ボイド数を自動計測した。（ボイド部には白色粒子があり、ボイド部以外は黒色であるため色差により判別）

（実施例２）
ポリエチレンテレフタレートを主成分とする発泡シートに代えてポリアミドを主成分とする発泡シート（厚さ約３ｍｍ、大きさ１５０ｍｍ×１５０ｍｍ）を芯材として用いたこと以外は実施例１と同様に樹脂複合体を作製し、実施例１と同様に樹脂複合体の評価を実施した。

（比較例１）
芯材として用いる発泡シートの表面にサンドペーパーでの擦過処理を施し、表面の気泡膜に穴が開いた状態となるように調製したこと以外は実施例１と同様に樹脂複合体を作製し、実施例１と同様に樹脂複合体の評価を実施した。

（比較例２）
厚さ約３ｍｍのシート状の発泡体に代えて、厚さ約１４ｍｍのボード状の発泡体（ビーズ発泡成形体）を芯材として用いたこと以外は実施例１と同様に樹脂複合体を作製し、実施例１と同様に樹脂複合体の評価を実施した。
なお、ビーズ発泡成形体の表面には、比較例１と同様にサンドペーパーでの擦過処理を施した。

各実施例や各比較例において用いたＧＦＲＰやＣＦＲＰの詳細、並びに、評価等の結果を下記の表１，２に示す。

尚、表１における「ＦＷ」は、単位面積当たりの繊維質量を意味し、「Ｒｃ」は単位面積当たりの樹脂質量を意味している。
また、表１における「ＴＡＷ」は、単位面積当たりのトータル質量を意味している。

上記のことからも本発明によれば強度と軽量性とに優れた樹脂複合体が得られることがわかる。

１：芯材、１ｓ：表皮、２：繊維強化樹脂層、１１：浸透領域、１２：非浸透領域、２０：繊維強化樹脂材、１００：サンドウィッチパネル（樹脂複合体）、ＸＳ：界面

Claims (3)

1. 樹脂発泡体で構成された芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂材で構成された繊維強化樹脂層とを備え、該繊維強化樹脂層によって前記芯材が覆われている樹脂複合体であって、
   前記樹脂発泡体における気泡の樹脂膜により構成された表皮と、前記繊維強化樹脂材に含まれる前記樹脂とが直接的に接着され、前記樹脂発泡体と前記繊維強化樹脂材とが一体化しており、
   前記繊維強化樹脂層との界面を構成している前記芯材の表層部は、前記繊維強化樹脂層から滲出した樹脂が浸透している浸透領域が全く形成されていないか、又は、最大深さが１００μｍ以下となるように前記浸透領域が形成されているかの何れかである樹脂複合体。
2. 前記繊維強化樹脂材がエポキシ樹脂を含み、前記樹脂発泡体がポリエチレンテレフタレート樹脂を含む請求項１記載の樹脂複合体。
3. 請求項１又は２に記載された樹脂複合体の製造方法であって、
   前記樹脂発泡体と前記繊維強化樹脂材とを直接的に接触させて加熱条件下で加圧することにより、前記樹脂発泡体と前記繊維強化樹脂材とを直接的に接着させる被覆工程を含む、樹脂複合体の製造方法。