JPWO2020009125A1 - Cfrpシート、cfrpシートを用いた積層体、及びcfrpシートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第一実施形態について図1〜図3に基づいて以下に説明する。なお図中、符号Sで指示するのものは、シート本体であり、符号Mで指示するものは、マトリックス樹脂である。また符号Pで指示するものは、表面層のUDシート片であり、符号Qで指示するものは、内側層のUDシート片である。また符号Fで指示するものは、炭素繊維である。
[1]CFRPシートの基本構成について
まず本実施形態では、図1に示すように、CFRP層Sとその可視面側となる表面層の外側に透明樹脂層Cを形成してシート本体を構成している。またCFRP層Sは、図2(a)(b)(c)に示すように、多数のUDシート片P・Qをシート片同士が重なり合うように二次元方向に並べ、更にUDシート片P・Qの繊維方向をランダムに配向させた(UDシート片の繊維方向の向きがバラバラになるように並べた)炭素繊維材料を、マトリックス樹脂Mにより接着一体化して形成している。
次に上記シート本体の各構成要素について説明する。まず上記CFRP層SのUDシート片P・Qを構成する連続繊維状の炭素繊維Fに関しては、本実施形態ではフィラメントをストランド状に束ねた炭素繊維束(トウ)を使用している。また本実施形態では、炭素繊維FにPAN系炭素繊維を使用しているが、ピッチ系炭素繊維を使用することもできる。なお炭素繊維束を構成するフィラメントの本数は強度等に応じて任意に変更できる。
また上記CFRP層Sのマトリックス樹脂Mに関しては、本実施形態ではポリアミド系樹脂(ナイロン樹脂)を使用しているが、これに限らず炭素繊維材料に対して含浸性を有する他の熱可塑性樹脂(アクリル樹脂やポリエステル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ABS樹脂、ポリエーテルイミド、フッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド等)や、熱硬化性樹脂を使用することもできる。
[4-1]表面層のUDシート片の形状
また上記CFRP層Sの表面層のUDシート片Pに関しては、本実施形態では意匠効果を高めるために非矩形状に歪んだUDシート片Pの割合を30%以上にしている。なお非矩形状のUDシート片Pについては、図3(a)に示すようにUDシート片の長さ寸法の最大値X1と最小値X2の差が最大値X1の10%以上の大きさとなるもの、または幅寸法の最大値Y1と最小値Y2の差が最大値Y1の10%以上となるものを指す。
また上記CFRP層Sの裏面層または中間層のUDシート片Qに関しては、本実施形態では幅W5mm×長さL20mmのものを使用しているが、強度や賦形性を考慮して幅W2mm〜20mm(好ましくは5mm〜10mm)、長さL5mm〜70mm(好ましくは10mm〜30mm)、幅Wと長さLの比率1:1〜1:6の矩形状のものを使用するのが好ましい。なお本明細書中においては、炭素繊維Fの長さ方向に沿った方向をUDシート片Pの長さ方向とし、それに垂直な方向を幅方向とする。また裏面層または中間層のUDシート片Qの厚みに関しては、40μm〜100μmの範囲とするのが好ましい。
また本実施形態では、上記CFRP層S中に積層するUDシート片P・Qの厚さ方向の平均枚数を、5.0枚〜8.0枚の範囲に設計しているが、シート本体の強度に応じて任意の枚数で設計することができる。またCFRP層Sの厚みに関しては、0.3mm〜1.0mmの範囲で設計するのが好ましいが、これよりも厚い板状に形成することもできる。
また上記CFRP層Sの可視面となる表面層については、本実施形態ではシート本体の片面のみに形成しているが、シート本体の両面に形成することもできる。その場合、CFRP層Sの裏面層は存在せず表面層と中間層のみで構成される。またCFRP層Sの厚みが非常に小さい場合には、中間層が存在せず表面層と裏面層のみで構成されるケースもあり得る。
[6-1]透明樹脂層の材料
また上記透明樹脂層Cの材料については、本実施形態ではポリアミド系樹脂を使用しているが、これに限らず炭素繊維材料に対して含浸性を有する他の熱可塑性樹脂(アクリル樹脂やPET、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ABS樹脂、ポリエーテルイミド、フッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド等)や、熱硬化性樹脂を使用することもできる。また透明樹脂層Cは、無色透明なものだけでなく若干色が付いた半透明のものも含まれる。
また透明樹脂層Cの厚みについては、CFRP層Sの厚みが小さい場合、材料として使用する樹脂フィルムの目付量を、UDシート片全体の目付量に対して5%以上(より好ましくは5〜100%、更に好ましくは10〜50%)の大きさとするのが好ましい。なおCFRP層Sの厚みが大きい場合(分厚い板状に形成する場合)には、樹脂フィルムの目付量をUDシート片全体の目付量に対して5%よりも小さくすることもできる。
次に上記CFRPシートの製造方法(i)について説明する。本製法においては、まずUDシートを裁断して均一な矩形状のUDシート片を作製した後、二次元方向に並べた多数のUDシート片と透明樹脂層の材料である熱可塑性樹脂フィルムとをロール成形することにより両者を仮接着して、CFRP層と透明樹脂層が一体となった中間シート材を作製する。そしてロール成形により作製された中間シート材を、更に熱プレスして表面層のUDシート片を歪ませた後、冷却プレスを行う。
次に上記CFRPシートの製造方法(ii)について説明する。本製法においては、連続繊維状の炭素繊維と熱可塑性樹脂とをロール成形することにより炭素繊維同士を接着してUDシートを作製すると共に、このUDシートを裁断して均一な矩形状のUDシート片を作製する。その後、透明樹脂層の材料である熱可塑性樹脂フィルム上にUDシート片を二次元方向に並べて配置し、これらを加熱圧縮成形(スタンパブル成形等)することにより表面層のUDシート片を歪ませてシート本体を製造する。
[1]CFRPシートの基本構成について
まず本実施形態では、図4(a)(b)(c)に示すように、UDシート片P・Qの重ね枚数を減らしてCFRP層Sを薄く形成すると共に、CFRP層Sの表面層及び裏面層のUDシート片P・Q…の両方に非矩形状に歪んだシート片が含まれるように構成している。また本実施形態では、上記CFRP層Sの表面層におけるUDシート片Pの一つ当たりの平均面積が、裏面層のUDシート片Qの平均面積よりも大きくなるようにしている。
「CFRPシートを用いた積層体の構成」
次に本発明の第三実施形態について説明する。本実施形態では、第一実施形態のCFRPシートをプラスチック材料の表面に熱プレスで積層一体化することにより表面の意匠性に優れた積層体を構成している(図示せず)。またCFRPシートを積層する対象としては、プラスチック材料だけでなく同種のCFRP材料や金属等の異種材料を採用することもできる。
次に本発明の効果の実証試験(i)について説明する。本試験では、透明樹脂層の有無および表面層のUDシート片の非矩形状の割合および幅寸法が異なるCFRPシートのサンプルを複数作製し、これら各サンプル(下記の実施例1及び比較例1〜2)の外観を評価した。
本実施例では、第一実施形態の構成から成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂および透明樹脂層の熱可塑性樹脂にそれぞれポリアミド系樹脂(ナイロン6)を使用し、製造方法(i)の方法によってサンプルの作製を行った。また本実施例では、仮接着時のロール成形の加圧力(中間シート材を製造する際の加圧力)を0.2〜0.4MPaとし、中間シート材に対する熱プレスの加圧力(中間シート材からシート本体を製造する際の加圧力)を3MPaとした。
本実施例では、第一実施形態の構成から成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂および透明樹脂層の熱可塑性樹脂にそれぞれポリアミド系樹脂(ナイロン6)を使用し、実施例1と同様、製造方法(i)の方法によってサンプルの作製を行った。そして、CFRP層の裏面層の一部(10cm×10cm=100cm2)を目視で確認したところ、裏面層における非矩形状のUDシート片の割合は24%に留まり、UDシート片の幅寸法が1.5倍以上の大きさまで拡大したものの割合も18%に留まった。その結果、図6(a)に示す外観となりサンプルの意匠効果を充分に高めることができなかった。
本実施例では、透明樹脂層を有しないCFRP層のみから成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂にポリアミド系樹脂(ナイロン6)を使用し、UDシート片を熱プレス加工してサンプルの作製を行った。そして、CFRP層の表面層の一部(10cm×10cm=100cm2)を目視確認したところ、表面層における非矩形状のUDシート片の割合は0%であり、UDシート片の幅寸法が成形前の状態から1.5倍以上の大きさまで拡大したものの割合も0%であった。その結果、図6(b)に示す外観となりサンプルの意匠効果を充分に高めることができなかった。
上記実施例1及び比較例1〜2についての試験結果をまとめると、実施例1のサンプルは意匠性を充分に高めることができたのに対し、比較例1〜2のサンプルは意匠性を充分に高めることができなかった。各サンプルの条件と試験結果をまとめた表を以下に示す。
次に本発明の効果の実証試験(ii)について説明する。本試験では、透明樹脂層の材料及び材料として使用するUDシート片の幅寸法、Vf値が異なるCFRPシートのサンプルを複数作製し、これら各サンプル(下記の実施例1及び比較例1〜2)の外観を評価した。
本実施例では、第二実施形態の構成から成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂および透明樹脂層の熱可塑性樹脂にそれぞれポリアミド系樹脂(ナイロン6)を使用し、製造方法(i)によってサンプルの作製を行った。また本実施例では、材料として寸法が幅5mm×長さ20mm×厚さ0.043mm、Vf53%のUDシート片を使用した。
本実施例では、第二実施形態の構成から成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂にポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、透明樹脂層の熱可塑性樹脂にポリアミド系樹脂を使用し、製造方法(i)によってサンプルの作製を行った。また本実施例では、材料として寸法が幅5mm×長さ20mm×厚さ0.048mm、Vf47%のUDシート片を使用した。
本実施例では、第二実施形態の構成から成るCFRPシートにおいて、CFRP層のマトリックス樹脂にポリカーボネート(PC)樹脂、透明樹脂層の熱可塑性樹脂にポリアミド系樹脂を使用し、製造方法(i)によってサンプルの作製を行った。また本実施例では、材料として寸法が幅5mm×長さ20mm×厚さ0.048mm、Vf47%のUDシート片を使用した。
M 透明樹脂層
P 表面層のUDシート片
Q 裏面層または中間層のUDシート片
Claims (11)
- CFRP層(S)の表面層の外側に透明樹脂層(C)が形成されて成るCFRPシートにおいて、
前記CFRP層(S)が、連続繊維状の炭素繊維(F)(F)…を長さ方向に揃えて配列した状態でマトリックス樹脂(M)により接着一体化して成る多数のUDシート片を、各シート片の繊維方向をランダムに配向させた状態で、かつ、各シート片同士が重なり合うように二次元方向に並べた状態でマトリックス樹脂(M)により接着して形成されている一方、
前記CFRP層(S)の裏面層または中間層のUDシート片(Q)(Q)…が矩形状であるのに対し、表面層のUDシート片(P)(P)…が、裏面層または中間層のUDシート片(Q)よりも平均厚みが小さく、かつ、少なくとも一部に非矩形状に歪んだシート片を含んで構成されていることを特徴とするCFRPシート。 - CFRP層(S)の表面層の外側に透明樹脂層(C)が形成されて成るCFRPシートにおいて、
前記CFRP層(S)が、連続繊維状の炭素繊維(F)(F)…を長さ方向に揃えて配列した状態でマトリックス樹脂(M)により接着一体化して成る多数のUDシート片を、各シート片の繊維方向をランダムに配向させた状態で、かつ、各シート片同士が重なり合うように二次元方向に並べた状態でマトリックス樹脂(M)により接着して形成されている一方、
前記CFRP層(S)の表面層及び裏面層のUDシート片(P)(Q)…が非矩形状に歪んだシート片を含んで構成されていることを特徴とするCFRPシート。 - CFRP層(S)の表面層における非矩形状に歪んだUDシート片(P)の割合が30%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載のCFRPシート。
- CFRP層(S)の表面層におけるUDシート片(P)の一つ当たりの平均面積が、裏面層または中間層のUDシート片(Q)の平均面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3の何れか一つに記載のCFRPシート。
- CFRP層(S)の表面層のUDシート片(P)における並列する炭素繊維同士が部分的に分離した解け部(L)の割合が、裏面層または中間層のUDシート片(Q)よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4の何れか一つに記載のCFRPシート。
- CFRP層(S)のマトリックス樹脂に、透明樹脂層(C)の熱可塑性樹脂と密着性を有する熱可塑性樹脂が使用されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一つに記載のCFRPシート。
- 請求項1または2記載のCFRPシートが同種材料または異種材料の表面に積層一体化されていることを特徴とするCFRPシートを用いた積層体。
- CFRPシートの製造方法において、二次元方向に並べた多数のUDシート片と透明樹脂層の材料である樹脂フィルムとをロール成形して仮接着することにより、或いは二次元方向に並べた多数のUDシート片に透明樹脂層の材料である溶融樹脂をコーティングして熱プレスすることによりCFRP層と透明樹脂層が一体となった中間シート材を作製した後、この中間シート材を更に熱プレスすることにより表面層のUDシート片を歪ませることを特徴とするCFRPシートの製造方法。
- 中間シート材に対する熱プレスの加圧力を、UDシート片と樹脂フィルムを仮接着する際のロール成形の加圧力、或いは溶融樹脂がコーティングされたUDシート片に対する熱プレスの加圧力よりも大きくすることを特徴とする請求項8記載のCFRPシートの製造方法。
- CFRPシートの製造方法において、連続繊維状の炭素繊維と熱可塑性樹脂とをロール成形することにより炭素繊維同士を接着してUDシートを作製すると共に、このUDシートを矩形状に裁断して作製されたUDシート片を透明樹脂層の材料である樹脂フィルム上に二次元方向に配置して、或いは二次元方向に並べた多数のUDシート片に透明樹脂層の材料である溶融樹脂をコーティングして加熱圧縮成形することにより表面層のUDシート片を歪ませることを特徴とするCFRPシートの製造方法。
- 樹脂フィルムの目付量が、UDシート片全体の目付量に対して5%以上の大きさであることを特徴とする請求項8〜10の何れか一つに記載のCFRPシートの製造方法。
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