WO2018079824A1 - 繊維強化プラスチック成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

熱可塑性の固形物の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形する、繊維強化プラスチック成形体の製造方法。

Description

繊維強化プラスチック成形体の製造方法

　本発明は、繊維強化プラスチック成形体の製造方法に関する。
　本願は、２０１６年１０月３１日に、日本に出願された特願２０１６－２１３２２８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　中空形状、Ｕ字状等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形体は、航空機の胴体や翼等の大型ものものから、自転車のフレーム、テニスラケット、釣竿やゴルフシャフト等の小型のものまで幅広く利用されている。

　中空形状、Ｕ字状等の繊維強化プラスチック成形体の製造方法としては、繊維（フィラメント）に樹脂を含浸させたプリプレグを中子の周囲に配置して成形を行った後に、前記中子を取り除く方法が知られている。
　例えば、ワックス製成形型にＦＲＰ材を積層し、成形硬化後、ワックス製成形型を溶融除去する方法が提案されている（特許文献１）。
　また、合成ワックスで中子を作成する工程と、前記中子の外面全体にプリプレグを貼付し、貼付したプリプレグにワックス排出孔を形成する工程と、中子とプリプレグを加熱し、プリプレグを熱硬化させつつ、溶融した合成ワックスをワックス排出孔から排出して繊維強化プラスチック成形体を得る工程と、を有する方法が提案されている（特許文献２）。

　さらに、繊維強化材と熱硬化性樹脂とを含むプリプレグを、中実なマンドレル材料の周囲に配置する工程と、前記プリプレグを硬化させて繊維強化プラスチック成形体を形成する工程と、前記繊維強化プラスチック成形体のガラス転移温度よりも低い温度で前記マンドレル材料を溶融させて液体材料とする工程と、前記液体材料を排出する工程と、前記繊維強化プラスチック成形体を冷却する工程と、を有する方法が提案されている（特許文献３）。
　また、変形容易な中空体からなるマンドレルに流体を封入し、マンドレルの周囲に網目状に連続した樹脂含浸繊維束を巻きつけた後、加熱された成形型で拘束しながらマンドレルの内圧を高めて上記の樹脂を硬化させる方法が提案されている（特許文献４）。

特開平４－７１２７号公報 特開２００７－３０７８５３号公報 特表２０１４－５３４９１４号公報 特開昭６２－５８４２号公報

　特許文献１の方法では、常温硬化で成形を行うため、硬化時間が長くなり、生産効率の低下を招く。また、ワックス表層に直接ハンドレイアップを行うため、ワックス溶融除去後、フィラメント間にワックスが残留する可能性がある。
　特許文献２の方法では、プリプレグを硬化させつつ中子を溶融させて除去するため、工程数が少ない。しかし、プリプレグの硬化が充分に進む前に中子の一部が除去されやすく、特に大型の繊維強化プラスチック成形体の場合に形状が安定せず、また成形体にボイド等の空隙が生じることがある。そのため、高品質な繊維強化プラスチック成形体を効率的に得ることが難しく、経済的にも不利である。
　さらに、特許文献３の方法では、特に上型と下型を備える成形用金型等の型閉め時の圧力が一方向にかかりやすい場合に、マンドレル材料に均一に圧力が加わりにくく、立ち面（金型キャビティー底部から上方向に延びる面）のボイドや角部の欠け等の成形不良が生じやすい。
　また、特許文献４の方法では、マンドレル内に空気などのガスを封入するため、成形圧力が低くなりやすく、立ち面や角部では成形不良が生じやすい。

　本発明は、成形形状の自由度が高く、大型の繊維強化プラスチック成形体であっても成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造できる繊維強化プラスチック成形体の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明は、以下の構成を有する。
［１］熱可塑性の固形物の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形する、繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［２］前記熱可塑性の固形物の密度が８ｇ／ｃｍ^３以下である、［１］に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［３］前記熱可塑性の固形物がワックスである、［１］又は［２］に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［４］前記熱可塑性の固形物中に、該熱可塑性の固形物よりも密度が低いフィラーをさらに収容する、［１］～［３］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［５］前記熱可塑性の固形物と前記フィラーの合計１００体積％に対する前記フィラーの割合を５～７０体積％とする、［４］に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［６］前記成形前駆体が、前記熱可塑性と前記プリプレグとの間に形成されたバリア層を有する、［１］～［５］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［７］前記バリア層が可撓性袋体、又はコーティング材である、［６］に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［８］前記バリア層が繊維補強材を有する、［６］又は［７］に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［９］前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）と平均成形温度Ｔｆ（℃）との関係がＴｆ－６０≦Ｔｍ≦Ｔｆとなる条件で加熱圧縮成形する、［１］～［８］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１０］前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）と平均成形温度Ｔｆ（℃）と前記バリア層を形成する物質の融点Ｔｂ（℃）との関係がＴｍ≦Ｔｆ＜Ｔｂとなる条件で加熱圧縮成形する、［６］～［９］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１１］前記熱可塑性の固形物の表層部の少なくとも一部が溶融した状態で加熱圧縮成形する、［１］～［１０］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１２］加熱圧縮成形の際に前記成形用金型内で前記熱可塑性の固形物を押圧する、［１］～［１１］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１３］前記熱可塑性の固形物の押圧を前記成形用金型に備えられたロッドにより行う、［１２］に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１４］前記加熱圧縮成形後、得られた繊維強化プラスチック成形体から前記熱可塑性の固形物を除去する、［１］～［１３］のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
［１５］前記繊維強化プラスチック成形体の熱変形温度以下、かつ前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）以上の温度で、前記熱可塑性の固形物を前記繊維強化プラスチック成形体の外部に排出する、［１４］に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。

　本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法によれば、成形形状の自由度が高く、大型の繊維強化プラスチック成形体であっても成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造できる。

本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法における加熱圧縮成形の一例を示した模式断面図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法における加熱圧縮成形の一例を示した模式断面図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法における熱可塑性の固形物としてのワックスを内包する繊維強化プラスチック成形体が得られた状態を示した模式断面図である。 図３Ａにおいて得られた繊維強化プラスチック成形体にワックスを排出するための排出口を形成した状態を示した模式断面図である。 図３Ｂにおいて形成された排出口を介してワックスを排出した後の状態を示した模式断面図である。 実施例１の加熱圧縮成形において中子の内圧、ワックスの表面温度及び中心温度を測定した結果を示した図である。

　本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、熱可塑性の固形物の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形することによって、繊維強化プラスチック成形体を得る方法である。

　本発明で用いる熱可塑性の固形物は、中空形状やＵ字状等の繊維強化プラスチック成形体を製造する際に用いる中子としての機能を有するものであり、常温（２０℃）に代表される加熱加圧成形前の雰囲気温度下では可塑性を示さないが、加熱圧縮成型時には軟化又は溶融し、自由に変形する性質を持つ物質から構成されるものである。
　この熱可塑性の固形物は、加熱圧縮成形後、例えば、成形体の熱変形温度以下、かつ熱可塑性の固形物の融点以上の温度とすることで、得られた成形体から容易に除去することができる。

　この熱可塑性の固形物としては、上記の物質から構成されていれば、特に限定されるものではないが、密度が８ｇ／ｃｍ^３以下であるものが好ましい。これは、熱可塑性の固形物の密度を８ｇ／ｃｍ^３以下とすることによって、成形前駆体を軽量化することができ、特に大型の繊維強化プラスチック成形体製造時において、作業性が良好となるとともに、自重による成形前駆体の変形を防ぐことができる傾向にあるためである。より好ましくは２ｇ／ｃｍ^３以下であり、さらに好ましくは、１ｇ／ｃｍ^３以下である。下限については特に制限はないが、最低限の強度と作業性を確保する観点から０．６ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

　この熱可塑性の固形物を構成する物質としては、例えば、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂、スズ、インジウム等のような低融点金属、はんだ、ウッド合金、ローズ合金、リポヴィッツ合金、ニュートン合金等のような易融合金、低融点ガラス等を挙げることができるが、プリプレグの成形温度以下の融点を有することができるとともに、所望の形状への加工が容易であり、かつ密度が低く、上記の成形前駆体を軽量化できる点でワックスを使用するのが好ましい。

　このワックスとしては、パラフィンワックス等のような天然ワックス、フィッシャートロプシュワックス、ポリエチレンワックス等のような合成ワックスを適宜選択して使用することができる。これらは、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよいが、ロストワックス鋳造（lost-wax casting）用ワックスを使用するのが、本発明の繊維強化プラスチック成形体の成形後のワックスの除去が容易となる傾向にあり、好ましい。

　また、本発明で使用する熱可塑性の固形物中には、この熱可塑性の固形物よりも密度が低いフィラーをさらに収容することが好ましい。
　例えば、ワックスに、ワックスよりも密度が低いフィラーを含有させることにより、熱可塑性の固形物の質量をより軽減できるため、大型の繊維強化プラスチック成形体を製造する場合のその取り扱い性がさらに優れたものとなる。
　このフィラーとしては、熱可塑性の固形物よりも密度が低いものであれば、適宜選択して使用することができるが、なかでも、熱伝導率が低く、成形時の熱エネルギーが熱可塑性の固形物によって過度に消費されにくいことで、プリプレグの温度を効率的に上昇させすく成形サイクルが向上する点から、中空ガラスビーズ、中空金属ボールが好ましい。
　フィラーとしては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

　熱可塑性の固形物にフィラーを用いる場合、熱可塑性の固形物とフィラーの合計１００体積％に対するフィラーの割合は、５～７０体積％が好ましく、１０～６０体積％がより好ましく、２０～５０体積％がさらに好ましい。前記フィラーの割合を好ましくは５体積％以上、より好ましくは１０体積％以上、さらに好ましくは２０体積％以上とすることによって、熱可塑性の固形物の取り扱い性がより優れ、大型の繊維強化プラスチック成形体の製造が容易になり、また成形サイクルが向上する。前記フィラーの割合を好ましくは７０体積％以下、より好ましくは６０体積％以下、さらに好ましくは５０体積％以下とすることによって、熱可塑性の固形物の溶融により、流動性が保たれ、成形前駆体の内圧が上昇し、プリプレグ全体に均一に充分な圧力がかかりやすくなるため、成形不良を抑制しやすい。

　また、本発明においては、熱可塑性の固形物の周囲にバリア層を形成させ、このバリア層の周囲に熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を使用するのが好ましい。これによって、熱可塑性の固形物の溶融物が、加熱圧縮成形中に成形前駆体の表面から漏出することを防止し、成形物の外観や形状を良好に保つことができる。

　上記のバリア層としては、可撓性袋体やコーティング材等が挙げられ、プリプレグの表面及び／又は熱可塑性の固形物の表面に形成させることができるが、複雑形状への成形性や成形物の外観が良好となる傾向にあるので、バリア層は熱可塑性の固形物の表面に形成させるのが好ましい。
　バリア層の厚みは、可撓性を有し、加熱圧縮成形中に成形体に影響する破れが生じない範囲で適宜設定すればよく、例えば、１ｍｍ以下としてもよい。バリア層の厚みの下限については特に制限はないが、最低限の強度を確保する観点から０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。
　この可撓性袋体としては、可撓性を有するものであればよく、例えば、ナイロンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルム、フッ素樹脂フィルム、シリコンゴム等で形成した袋体が挙げられる。
　また、コーティング材としては、熱可塑性の固形物の周囲に定着させ、可撓性を有するものであればよく、例えばアクリルやシリコーンを主成分とした液体ゴムが挙げられる。また、加熱圧縮成形する際に溶融して熱可塑性の固形物の周囲に膜を形成するものであってもよい。例えば、ナイロンの抄紙を熱可塑性の固形物の周囲に配置しておき、加熱圧縮成形時にこれを溶融させることによってバリア層を形成させることができる。さらに液体ゴムとこの抄紙を併用することも可能である。
　特に、バリア層としてコーティング材を使用する場合には、バリア層の継ぎ目をなくすことができ、加熱圧縮成形にて得られる成形物にこの継ぎ目が転写されることがないので、この成形物の外観をより優れたものとすることができる。

　本発明では、熱可塑性の固形物の周囲に形成されたバリア層の外面に離型剤を塗布する等の離型処理を行うか、又はバリア層を二重にすることが好ましい。これにより、加熱圧縮成形後に、熱可塑性の固形物が付着したバリア層を繊維強化樹脂成形体から容易に除去することができる。

　また、バリア層は繊維補強材を含んでいても良い。特に、バリア層をコーティング材で構成する場合には、コーティング材層と繊維補強材層を積層したものをバリア層とすることによって、この強度を向上させ、加熱圧縮成形時のバリア層の破損を防止することができる。このコーティング材層と繊維補強材層は、何層重ねてもよく、重ねる順番は適宜選択することができる。
　ここで繊維補強材に用いることができる繊維としては、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、アクリル繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。これらは適宜選択することができるが、軽量で取扱い性の良いことから、アラミド繊維が好ましい。
　バリア層に用いることのできる繊維補強材の形態としては、特に限定されるものではないが、ノンクリンプファブリック、すだれ織りなどの織物、抄紙や不織布、不連続な繊維のランダム材シート等を挙げることができる。

　以下、本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法の一例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図の寸法等は一例であって、本発明は各図に示したものに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

　本実施形態の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、下記の成形工程を有し、さらに、下記のワックス等に代表される熱可塑性の固形物の排出工程を有することができる。
　成形工程：図１に示すように、ワックス１をバリア層２内に収容した中子３の周囲にプリプレグ４を配置した成形前駆体５を、成形用金型１０によりワックス１の少なくとも一部を溶融させつつ加熱圧縮成形する。
　熱可塑性の固形物の排出工程：図３Ａ～図３Ｃに示すように、成形工程後で得られた繊維強化プラスチック成形体６からワックス１を排出する。
　この例は、パイプ等に用いられる四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を製造するものである。

（成形工程）
　図１は、成形用金型１０の長さ方向に対して垂直な方向に切断した断面図である。
　本実施形態の成形工程では、まず、図１に示すように、ワックス１をバリア層２内に収容した中子３の周囲にプリプレグ４を配置した成形前駆体５を、成形用金型１０により加熱圧縮成形する。これにより、図３Ａに示すように、中子３を内包する繊維強化プラスチック成形体６が得られる。

　中子３を形成する方法としては、特に限定されず、例えば、事前に型で成形したワックス１を、可撓性袋体２を形成するフィルムで覆い、該フィルムの端部同士を接着するか熱融着してバリア層２を形成し、ワックス１を密封して中子３とする方法が挙げられる。また、シュリンクチューブ内にワックス１を入れ、該シュリンクチューブの両端部を熱融着してバリア層２を形成して中子３とする方法を採用してもよい。シュリンクチューブを用いる方法は、バリア層２がワックス１の形状に添い易く、容易に密封できる点で有利である。また、ブロー成形して得たバリア層２内にワックスを溶融させて充填し、バリア層２の開口部を熱融着して密封して中子３を形成してもよい。
　あるいは、バリア層２となる液体ゴムを熱可塑性の固形物１の周囲全面に塗布し、乾燥させ中子３を形成してもよい。さらに別の方法として、液体ゴムを熱可塑性の固形物１の周囲全面に塗布した後、繊維補強材となる不織布を貼り付け、さらに液体ゴムを塗布してバリア層２を作り、中子３を形成してもよい。

　プリプレグ４は、繊維と熱硬化性樹脂とを含む成形用複合材料であり、例えば、繊維を一方向に引き揃えたＵＤ（uni-directional）材、繊維を製織したクロス材、繊維からなる不織布や繊維をチョップしたＳＭＣ（sheet molding compound）等の繊維強化材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグが挙げられる。
　繊維としては、特に限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、金属繊維等が挙げられる。これらのうち、成形体の軽量化、高強度化、高弾性率化を達成できる点から、炭素繊維が好ましい。繊維としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

　熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

　また、プリプレグ４全質量に対する熱硬化性樹脂の含有量（以下、「樹脂含有量」という）は、１５～５０質量％が好ましく、２０～４５質量％がより好ましく、２５～４０質量％がさらに好ましい。樹脂含有量が、１５質量％以上であれば、繊維と熱硬化性樹脂との接着性を十分確保することができ、５０質量％以下であれば難燃性がより向上する。

　プリプレグ４は、必要に応じて、繊維及び熱硬化性樹脂以外の任意成分（添加剤）を含んでいてもよい。そのような任意成分の例としては、難燃剤（例えばリン含有エポキシ樹脂や赤燐、ホスファゼン化合物、リン酸塩類、リン酸エステル類等）、シリコーンオイル、湿潤分散剤、消泡剤、脱泡剤、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド、エステル類、パラフィン類等の離型剤、結晶質シリカ、溶融シリカ、ケイ酸カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、硫酸バリウム等の粉体やガラス繊維、炭素繊維等の無機充填剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シランカップリング剤などが挙げられる。また、プリプレグ４全質量に対する任意成分の含有量は、０～２５質量％が好ましく、１～２０質量％がより好ましく、１～１５質量％がさらに好ましい。

　成形前駆体５の形態は、特に限定されず、例えば、２枚のシート状のプリプレグ４で中子３全体を包み込むように配置した形態が挙げられる。

　この例の成形用金型１０は、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を製造するためのものであり、下型１２と上型１４とを備える。下型１２の上面側には凹部１２ａが形成されている。上型１４の下面側には、下型１２の凹部１２ａに嵌まり込む凸部１４ａが形成されている。成形用金型１０においては、下型１２と上型１４とを近接させて型閉めすることで、内部に目的の繊維強化プラスチック成形体の形状と相補的な形状のキャビティが形成される。

　成形用金型１０は開閉機構を備えていれば足り、高圧プレス機を採用していなくてもよい。つまり、下型１２と上型１４とを互いに近接させて型締めした段階では、成形前駆体５にかかる圧力は必ずしも充分に高くなくてもよい。型閉めの段階で成形前駆体５にかかる圧力が不充分であっても、後述するように加熱圧縮成形時にワックスが溶融して中子の内圧が高まることで、成形前駆体５に充分な圧力がかかる。そのため、成形不良が起きることを抑制でき、寸法精度の高い繊維強化プラスチック成形体が得られる。

　成形前駆体５を成形用金型１０で加熱圧縮成形する方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。中子３の周囲にプリプレグ４を配置して成形前駆体５を形成した後、室温にて成形用金型１０のキャビティ形状と略同じ形状に予備賦形して成形前駆体５（プリフォーム）とする。次いで、予め加熱した成形用金型１０の下型１２の凹部１２ａ内に成形前駆体５を載置し、成形用金型１０を型閉めして加熱圧縮成形し、プリプレグ４を硬化させる。

　なお、加熱圧縮成形方法は、前記方法には限定されない。例えば、以下のＲＴＭ（レジントランスファー成形）法を採用してもよい。具体的には、中子３の周囲に、プリプレグの代わりに、熱硬化性樹脂を含浸していない繊維強化材（ファブリック）を配置し、下型１２の凹部１２ａ内に載置して成形用金型１０を型締めする。次いで、成形用金型１０内に未硬化の熱硬化性樹脂を注入し、繊維強化材に熱硬化性樹脂を含浸させた後、成形用金型１０を加熱硬化して成形体６を得る。

　本発明においては、ワックス等に代表される熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）と平均成形温度Ｔｆ（℃）との関係がＴｆ－６０≦Ｔｍ≦Ｔｆとなる条件で加熱圧縮成形を行うのが好ましい。このように、本発明では、成形温度以下で溶融する熱可塑性の固形物を中子に使用することができ、中子においてバリア層内に収容した熱可塑性の固形物の少なくとも一部を溶融させつつ成形前駆体を加熱圧縮成形することができる。
　この例では、成形用金型１０の熱がプリプレグ４に伝わり、さらにバリア層２を介してワックス１にも伝わることで、ワックス１の少なくとも一部が溶融する。
　なお、融点Ｔｍ（℃）は、熱可塑性の固形物が異なる融点を有する複数の成分により構成される場合には、前記複数の成分の融点のうち、最も低い融点を指す。

　また、本発明においては、熱可塑性の固形物１の融点をＴｍ（℃）、加熱成形の温度をＴｆ（℃）、バリア層２を形成する物質の融点をＴｂ（℃）とした場合の関係がＴｍ≦Ｔｆ＜Ｔｂとなる条件で加熱圧縮成形を行うのが好ましい。このように、成形温度以下で溶融する熱可塑性の固形物１を中子３に使用し、中子３においてバリア層２内に収容した熱可塑性の固形物１の少なくとも一部を溶融させつつ成形前駆体を加熱圧縮成形することができる。
　この例では、成形用金型１０の熱がプリプレグ４に伝わり、さらにバリア層２を介して熱可塑性の固形物１にも伝わることで、熱可塑性の固形物１の少なくとも一部が溶融する。
　なお、融点Ｔｂ（℃）は、バリア層が異なる融点を有する複数の成分により構成される場合には、前記複数の成分の融点のうち、最も低い融点を指す。

　ワックス１は加熱により膨張し、さらに溶融時に大きく膨張するため、加熱圧縮成形時には中子３の内圧が高まる。また、バリア層２内で溶融状態となったワックス１は流動するため、中子３全体で内圧が均一になる。中子３の圧力が均一になることで、加熱圧縮成形において、プリプレグ４には成形用金型１０の下型１２と上型１４とを閉じる上下方向以外の方向にも圧力が均一にかかる。

　中子３ではワックス１がバリア層２に収容されているため、溶融したワックス１がプリプレグ４の外側に漏れ出すことが抑制されている。また、バリア層２は可撓性を有し伸延できるため、ワックス１の流動に伴う中子の外形形状の変形を許容できる。そのため、ワックス１の膨張により内圧が高まると中子３が広がる。これにより、仮に中子３とその周囲に配置したプリプレグ４との間に空隙が形成されていても、中子３の変形によって該空隙が埋められる。また、成形用金型１０内における隅部において成形面とプリプレグ４との間に空隙が形成されていても、中子３の変形に伴ってプリプレグ４が成形面に押し付けられることで該空隙が埋められる。このように、プリプレグ４が中子３と成形用金型１０の成形面に隙間なくしっかりと密着するため、成形不良が生じることが抑制され、特に立ち面の曲がりやシワ、ボイド等が生じにくくなり、所定の肉厚を有する寸法精度の高い成形体が得られる。角部が直角の繊維強化プラスチック成形体を製造する場合も、成形用金型の隅部にプリプレグが充分に満たされ、該角部が成形用金型の成形面に沿って高い精度で直角になる。

　プリプレグ４と中子３との間に形成されていた空隙が埋められる際には、中子３からの圧力によって該空隙が押し潰されるか、空隙を構成していた空気がプリプレグ４を通過して成形用金型１０の隙間から大気中へと放出される。空気がプリプレグ４を通過したときにはプリプレグ４に穴が生じるが、その穴はプリプレグ４に流動性があるため自然に塞がる。

　加熱圧縮成形においては、ワックス１の一部だけを溶融させてもよく、全体を溶融させてもよい。ワックス１は成形用金型１０からの熱伝導により溶融するが、ワックス１は熱伝導率が低いため、特に中子３の容積が大きく、成形時間が短い場合にはワックス１の表層のみが溶融する。
　加熱圧縮成形における成形サイクルを向上させるには、プリプレグを効率良く加熱する必要がある。中子のワックスを溶融させるために熱が消費されるほど、プリプレグの温度を上げるのに時間を要する。成形サイクルの向上の点では、加熱圧縮成形においてワックスの表層だけを溶融させることが好ましい。また、ワックスの表層だけを溶融させる場合は、仮に溶融したワックスがバリア層から漏れ出すことがあったとしも、溶融している量が少量であり、成形用金型から漏れ出したワックスは急激に冷却されて固化するため、悪影響を最小限にできる。

　ここでワックス等に代表される熱可塑性の固形物の融点Ｔｍと平均成形温度Ｔｆとの関係は、Ｔｆ－６０≦Ｔｍ≦Ｔｆとするのが好ましく、Ｔｆ－５０≦Ｔｍ≦Ｔｆ－１０がより好ましく、Ｔｆ－４０≦Ｔｍ≦Ｔｆ－２０がさらに好ましい。融点Ｔｍが前記範囲内であれば、成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた繊維強化プラスチック成形体が得られる。融点Ｔｍを好ましくはＴｆ－６０以上、より好ましくはＴｆ－５０以上、さらに好ましくはＴｆ－４０以上とすることによって、加熱圧縮成形前には熱可塑性の固形物が軟化しにくく中子の形状が安定するため、加熱圧縮成形前にプリプレグにシワが生じて繊維強化プラスチック成形体の外観が低下することを抑制できる。また熱可塑性の固形物が室温で軟化しにくく中子の取り扱い性が向上するうえ、熱可塑性の固形物が漏洩したとしても固化しやすく影響が小さい。融点Ｔｍを好ましくはＴｆ以下、より好ましくはＴｆ－１０以下、さらに好ましくはＴｆ－２０以下とすることによって、加熱圧縮成形時に熱可塑性の固形物が溶融して中子の内圧が高まりやすく、成形不良を抑制しやすい。
　なお、平均成形温度Ｔｆとは、成形開始から成形終了までの金型温度の平均値を意味する。

　加熱圧縮成形時の平均成形温度Ｔｆは、プリプレグの熱硬化性樹脂の硬化温度に依存し、１１０～１６０℃が好ましく、１２０～１５０℃がより好ましい。
　ワックス等に代表される熱可塑性の固形物の融点Ｔｍは、８０～１４０℃が好ましく、９０～１３０℃がより好ましく、１００～１２０℃がさらに好ましい。
　バリア層の融点Ｔｂは、１１０℃以上が好ましく、１５０℃以上がより好ましい。
　また、バリア層の融点Ｔｂと平均成形温度Ｔｆとの関係は、Ｔｆ＋１０≦Ｔｂ≦Ｔｆ＋６０とするのが好ましく、Ｔｆ＋１５≦Ｔｂ≦Ｔｆ＋６０がより好ましく、Ｔｆ＋２０≦Ｔｂ≦Ｔｆ＋６０がさらに好ましい。融点Ｔｂが前記範囲内であれば、溶融したワックス１がプリプレグ４の外側に漏れ出すことを抑制するというバリア層による効果をより確実に得ることができる。

　加熱圧縮成形の際には、成形用金型内で中子を押圧してもよい。これにより、大型の繊維強化プラスチックを製造する場合でも、中子の内圧を充分に高めることが容易になるため、さらに、過剰に圧力が上昇した場合に中子の内圧を下げるなど調整でき、成形不良を安定して抑制することができる。
　中子の押圧は、成形用金型に備えられたロッドにより行うことが好ましい。ロッドとしては、中子への押圧力を調節しやすい点から、ピストンロッドを用いることが好ましい。

　例えば、図２に例示した、下型１２に凹部１２ａ内に突き出るピストンロッド１６を備えた成形用金型１０Ａを用いることができる。図２における図１と同じ部分は同符合を付して説明を省略する。
　成形用金型１０Ａの下型１２には、ピストンロッド１６とシリンダ１８が設けられている。シリンダ１８の圧力室（不図示）に作動流体が給排されることで、型閉め時のキャビティ内にピストンロッド１６が突き出たり、引っ込んだりするようになっている。

　この例では、加熱圧縮成形時にピストンロッド１６が成形用金型１０のキャビティ内に突き出されることで、プリプレグ４とともに中子３が部分的に押圧される。中子３内のワックス１が溶融しているため、押圧力が中子３全体に効率良く伝わり、中子３のピストンロッド１６に押されている部位から離れた部位も含めて圧力は均一になる。押圧により中子３の内圧がさらに高まり、溶融したワックス１が流動して中子３が変形することで、中子３とプリプレグ４とがより密着する。またプリプレグ４が成形用金型１０の隅々まで行き渡り、成形面に充分に押し付けられて空隙が無くなる。
　押圧によって中子３の内圧が高くなりすぎる場合は、ピストンロッド１６を引き下げることで圧力を制御することができる。

　なお、中子を押圧する形態は、図２に例示した形態には限定されない。例えば、複数のロッドを備える成形用金型を用いて、中子における複数の部位を押圧するようにしてもよい。また、中子の周囲に配置したプリプレグに押圧用の孔を形成し、該孔を通じてロッドにより中子を直接押圧してもよい。また、プリプレグを中子の周囲全体に配置していない場合は、中子の周囲におけるプリプレグが存在しない部分をロッドにより押圧してもよい。

（熱可塑性の固形物の排出工程）
　成形工程後で得られた繊維強化プラスチック成形体６からワックス１を排出する。ワックス１を排出する方法としては、加熱圧縮成形後において、繊維強化プラスチック成形体６の熱変形温度Ｔｄ（℃）以下、かつワックス１の融点Ｔｍ（℃）以上の温度Ｔｗで、ワックス１を繊維強化プラスチック成形体６の外部に排出する方法が好ましい。なお、この温度Ｔｗ（℃）は、Ｔｍ＋１０≦Ｔｗ≦Ｔｄ－１０の範囲内であることがより好ましく、Ｔｍ＋２０≦Ｔｗ≦Ｔｄ－２０の範囲内であることがさらに好ましい。温度Ｔｗ（℃）が上記範囲内であることにより、繊維強化プラスチック成形体６の熱変形を防止しつつ、ワックス１を効率的に排出することが可能となる。また、熱変形温度Ｔｄ（℃）は、繊維強化プラスチック成形体６が異なる熱変形温度を有する複数の成分により構成される場合には、前記複数の成分の熱変形温度のうち、最も低い温度を指す。
　具体的には、例えば、図３Ｂに示すように、繊維強化プラスチック成形体６に排出孔７を形成した後、繊維強化プラスチック成形体６の熱変形温度以下で、かつワックス１の融点以上に加熱する。これにより、図３Ｃに示すように、溶融したワックス１が排出孔７から繊維強化プラスチック成形体６の外部に排出される。ワックス１を溶融させることで排出孔７が小径であっても、ワックス１を排出させることができる。

　繊維強化プラスチック成形体６に排出孔７を形成する方法としては、特に限定されず、例えば、ドリル加工、ホールソー加工等が挙げられる。
　中子３及び繊維強化プラスチック成形体６を加熱する方法としては、特に限定されず、例えば、オーブン加熱、赤外線加熱等が挙げられる。

　加熱圧縮成形時にロッドで中子を直接押圧するための孔をプリプレグに形成した場合には、繊維強化プラスチック成形体に残存する該孔をワックス排出孔として使用してもよい。ロッドで中子を直接押圧するための孔以外に、ワックスを排出するための排出孔を形成してもよい。

　この例のように長尺な繊維強化プラスチック成形体６の場合には、製品の品質に悪影響がない範囲で、繊維強化プラスチック成形体６に排出孔７に加えてエアブロー孔をさらに設け、エアブロー孔を通じてエアブローを行って排出孔７からのワックス１の排出を促進してもよい。また、中子内に予め紐を存在させておき、ワックスの排出時に紐を引き出すことによりワックスの排出を促すこともできる。
　繊維強化プラスチック成形体６内のバリア層２は、必要に応じて引き出してもよく、そのまま繊維強化プラスチック成形体６内に残してもよい。

　以上説明した本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法においては、ワックス等に代表される熱可塑性の固形物を中子として用いて加熱圧縮成形を行う。圧縮成形時に熱可塑性の固形物の少なくとも一部を溶融させることにより中子の内圧を充分に高めることができるため、中子とプリプレグの間や、プリプレグと成形用金型の成形面の間に空隙が存在した状態でプリプレグの硬化が進行することを抑制できる。また、加熱圧縮成形前には熱可塑性の固形物が軟化しにくく中子の形状が安定するため、加熱圧縮成形前にプリプレグにシワが生じることは少なく、繊維強化プラスチック成形体にもシワができることを抑制できる。このように、大型の繊維強化プラスチック成形体であっても成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造することができる。
　繊維強化プラスチック成形体の寸法は特に制限されないが、本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、例えば、中子の容積が１００ｃｍ３以上である成形体の製造に特に好適に採用することができる。

　なお、本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、前記した方法には限定されない。例えば、前記した方法は、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を製造する方法であったが、断面Ｕ字状の繊維強化プラスチック成形体を製造する方法であってもよい。この場合は、中子の一部が露出し、それ以外の部分がプリプレグで覆われた成形前駆体を形成し、中子の一部が成形用金型の成形面に接する状態で加熱圧縮成形を行う。また、ワックス等に代表される熱可塑性の固形物の排出においては、繊維強化プラスチック成形体に排出孔を設ける必要はない。

　以下、実施例によって本発明をさらに説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
［中子の内圧、ワックスの表面温度及び中心温度］
　加熱圧縮成形における中子の内圧は、圧電圧力センサーにより測定した。また、中子内のワックスの表面温度及び中心温度は、熱電対により測定した。なお、測定においては、測定開始から６０秒後に成形前駆体５を下型１２に載置して型締めを行い、３６０秒後（成形時間５分）に型開きした。

［外観評価］
　各例で得た繊維強化プラスチック成形体の外観を目視にて確認し、以下の評価基準で評価した。
　◎：角部の欠け、シワ等の発生が抑制され、非常に外観が優れていた。
　○：角部の欠け、シワ等の発生が抑制されていたが、外観に目乱れが存在した。
　×：角部の欠け、シワ等の発生が見られ、外観が劣っていた。
［作業性］
　◎：加熱加圧成形に際して、成形前駆体の変形が殆どなく、中子の作製あるいはバリア層の作製が容易であった。
　○：加熱加圧成形に際して、成形前駆体の自重による若干の変形が見られたが、中子の作製あるいはバリア層の作製に大きな支障は生じなかった。
　×：加熱加圧成形に際して、成形前駆体の自重による変形が頻発した。

［実施例１］
　ワックス１として合成ワックス（製品名「Ｆｉｌｅ－Ａ－Ｗａｘ　Ｇｒｅｅｎ」、Ｆｒｅｅｍａｎ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　＆　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ社製、融点Ｔｍ：１１７℃、密度：０．９ｇ／ｃｍ^３）を用い、ポリオレフィン製のシュリンクチューブ（厚み：１５μｍ；融点Ｔｂ：１４５℃）内に入れ、該シュリンクチューブの両端部を熱融着して可撓性袋体からなるバリア層２を形成して中子３を作製した。次いで、プリプレグ４として、炭素繊維からなる繊維強化材にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ（三菱レイヨン社製、製品名「ＴＲ３１１０　３６０ＧＭＰ」；樹脂含有率：４０質量％）を用い、該プリプレグ２枚を中子３の周囲全体を覆うように配置した後、成形用金型１０のキャビティ形状と略同形状に、室温にて予備賦形して成形前駆体５（プリフォーム）を得た。成形用金型１０の下型１２の凹部１２ａ内に成形前駆体５を配置して成形用金型１０を型閉めし、型閉めから型開きまでの平均成形温度を１４０℃、成形時間を５分として加熱圧縮成形を実施して、中子３を内包する繊維強化プラスチック成形体６を作製した。加熱圧縮成形時における中子３の内圧、並びにワックスの表面温度及び中心温度を測定した結果を図４に示す。
　ドリル加工により、繊維強化プラスチック成形体６にワックス排出用の排出孔７（直径：１０ｍｍ）を形成した。オーブン加熱により中子３及び繊維強化プラスチック成形体６を１３０℃に加熱し、ワックス１を溶融させて排出孔７から排出し、７３ｍｍ×３７ｍｍ×２６ｍｍの四角筒状の繊維強化プラスチック成形体６を得た。

［実施例２］
　フィラーとして中空ガラスビーズ（密度：０．２ｇ／ｃｍ^３）を用い、ワックスと中空ガラスビーズの合計質量に対する中空ガラスビーズの割合を３０体積％とした混合物を中子に用いた以外は、実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を得た。

［実施例３］
　ワックス１としてポリプロピレンワックス（融点Ｔｍ：１６５℃）を用いた以外は、実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を得た。

［実施例４］
　ワックス１として、合成ワックス（製品名「東洋ＵＴＩＬＩＴＹ ＷＡＸ」、東洋化学研究所社製、融点Ｔｍ：７２℃）を用いた以外は、実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を得た。

［実施例５］
　ポリプロピレン製のシュリンクチューブを用いてバリア層２（厚み：４０μｍ；融点Ｔｂ：１６５℃）を形成した以外は、実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

［実施例６］
　ポリ塩化ビニル製のシュリンクチューブを用いてバリア層２（厚み：２５μｍ；融点Ｔｂ：２００℃）を形成した以外は、実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

［実施例７］
　シュリンクチューブの代わりに、ワックスにアクリル系液体ゴム（ユタカメイク製、ＢＥ-1）を塗布して乾燥させ、コーティング材からなるバリア層２（厚み：０．１ｍｍ）を形成した以外は実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

［実施例８］
　シリコーン系液体ゴム（信越化学工業製、ＫＥ-６６）を塗布して乾燥させることによりバリア層２（厚み：０．２ｍｍ）を形成した以外は実施例７と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

［実施例９］
　ワックスにアクリル系液体ゴムを塗布して乾燥させた後、ポリアミド系不織布（呉羽テック株式会社、ＬＮＳ００１５）を貼り、さらに液体ゴムを塗布して、コーティング材からなるバリア層２（厚み：０．２ｍｍ；融点Ｔｂ：１１５℃）を形成した以外は実施例１と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

［実施例１０］
　ポリアミド系不織布に代えてポリエステル系不織布（呉羽テック株式会社、Ｇ５０２５）を用いてバリア層２（厚み：０．２ｍｍ；融点Ｔｂ：１５０℃）を形成した以外は実施例９と同様にして四角筒状の繊維強化樹脂成形体を得た。

　各例の成形条件及び評価結果を表１に示す。

　表１に示すように、各実施例においては、加熱加圧成形に際して、成形前駆体の変形が殆どなく、作業性に優れていたが、特に、成形前駆体のさらなる軽量化を達成した実施例２や、バリア層の強度を向上させた実施例９、１０の作業性は特に優れていた。
　また、バリア層としてコーティング材を使用した実施例７～１０においては、非常に外観が優れた繊維強化プラスチック成形体が得られた。また、図４に示すように、実施例１では、加熱圧縮成形においてワックスの表面温度が融点Ｔｍを超えており、加熱により表層が溶融して中子の内圧が高まっていた。

　１　ワックス（熱可塑性の固形物）
　２　バリア層
　３　中子
　４　プリプレグ
　５　成形前駆体
　６　繊維強化プラスチック成形体
　７　排出孔
　１０、１０ａ　成形用金型
　１２　下型
　１４　上型
　１６　ピストンロッド
　１８　シリンダ

Claims (15)

1. 　熱可塑性の固形物の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形する、繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
2. 　前記熱可塑性の固形物の密度が８ｇ／ｃｍ^３以下である、請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
3. 　前記熱可塑性の固形物がワックスである、請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
4. 　前記熱可塑性の固形物中に、該熱可塑性の固形物よりも密度が低いフィラーをさらに収容する、請求項１～３のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
5. 　前記熱可塑性の固形物と前記フィラーの合計１００体積％に対する前記フィラーの割合を５～７０体積％とする、請求項４に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
6. 　前記成形前駆体が、前記熱可塑性の固形物と前記プリプレグとの間に形成されたバリア層を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
7. 　前記バリア層が可撓性袋体、又はコーティング材である、請求項６に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
8. 　前記バリア層が繊維補強材を有する、請求項６又は７に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
9. 　前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）と平均成形温度Ｔｆ（℃）との関係がＴｆ－６０≦Ｔｍ≦Ｔｆとなる条件で加熱圧縮成形する、請求項１～８のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
10. 　前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）と平均成形温度Ｔｆ（℃）と前記バリア層を形成する物質の融点Ｔｂ（℃）との関係がＴｍ≦Ｔｆ＜Ｔｂとなる条件で加熱圧縮成形する、請求項６～９のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
11. 　前記熱可塑性の固形物の表層部の少なくとも一部が溶融した状態で加熱圧縮成形する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
12. 　加熱圧縮成形の際に前記成形用金型内で前記熱可塑性の固形物を押圧する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
13. 　前記熱可塑性の固形物の押圧を前記成形用金型に備えられたロッドにより行う、請求項１２に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
14. 　前記加熱圧縮成形後、得られた繊維強化プラスチック成形体から前記熱可塑性の固形物を除去する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
15. 　前記繊維強化プラスチック成形体の熱変形温度以下、かつ前記熱可塑性の固形物の融点Ｔｍ（℃）以上の温度で、前記熱可塑性の固形物を前記繊維強化プラスチック成形体の外部に排出する、請求項１４に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。

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