WO2020246622A1 - 熱可塑性繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing a thermoplastic fiber reinforced resin molded product by pressing a prepreg.
- the resin used for the fiber reinforced resin is a thermoplastic resin or a thermosetting resin
- the fiber reinforced resin is a resin in which fibers are reinforced with these resins.
- Fiber reinforced plastics can be molded and molded by heating, have high productivity, are easy to perform secondary processing such as welding, have electrical insulation, are not corroded, and are excellent in recyclability. It is widely used in various fields due to its characteristics.
- carbon fiber reinforced resin that uses carbon fiber as fiber is lightweight, has high strength and high rigidity, so it includes the above-mentioned automobile industry and aviation industry, as well as the shipping industry and space field, wind power generation and sporting goods, etc. , Applied research has been conducted in a wide range of fields and has already been used.
- a fibrous reinforcing material such as glass cloth or carbon fiber is impregnated with a thermosetting resin such as epoxy, phenol, or polyester in which additives such as a curing agent and an adhesive are mixed.
- the prepreg which has been heated or dried to a semi-cured state, is cured by heating and pressurizing.
- Processing of fiber reinforced plastic includes autoclave molding, oven molding, press molding, RTM / VaRTM method, pultrusion molding, filament winding, sheet winding, etc. Among them, high-quality fiber reinforced resin molded products with high productivity. It is said that press molding is desirable from the viewpoint of obtaining the above.
- fiber reinforced plastic has less malleability than metal, and when press-molded at the same speed as metal such as iron, it may break or wrinkle. Further, if too much heat is applied to the prepreg for molding, the viscosity of the resin decreases too much, the resin melts, and a clean molded product cannot be formed, and the viscosity does not decrease unless heat is applied. , There was a problem that molding was defective.
- Patent Document 1 states, "A mixed epoxy of 50 to 90 parts by weight of a solid epoxy resin and 10 to 50 parts by weight of a liquid epoxy resin. It contains a resin, a rubber, and a curing agent, and the rubber is blended in an amount of 5 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed epoxy resin, and the curing agent is blended from 1 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed epoxy resin.
- a resin composition for a prepreg "containing 100 parts by weight” is disclosed (Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-213352).
- Patent Document 2 states, "A prepreg using an epoxy resin composition which is excellent in storage stability at room temperature, can be heat-cured at a relatively low temperature in a short time, and has a high heat resistance of the cured resin, and is heated.
- a prepreg composed of a reinforcing fiber and an epoxy resin composition suitable for press molding, particularly high cycle press molding, which can suppress excessive flow of the resin during pressure curing is disclosed (Patent Document 2: Patent No. 2). No. 5682837).
- Patent Document 1 and Patent Document 2 adjusts the fluidity of the resin according to the composition of the resin composition of the prepreg, and is effective only in the case of the resin composition having the disclosed composition. It will be demonstrated. That is, the problem is not solved for a prepreg using a resin composition other than the above composition (for example, a prepreg having a general composition).
- a resin composition other than the above composition for example, a prepreg having a general composition.
- Patent Documents 1 and 2 are all prepregs of thermosetting resins, and there is no reference to thermoplastic resins. Therefore, an object of the present invention is to provide a highly productive press molding method for a thermoplastic fiber reinforced resin that does not reduce quality and work efficiency.
- the present inventors have found a method for press-molding a fiber-reinforced resin to obtain a fiber-reinforced resin molded product having a high degree of perfection. That is, the present invention includes the following. [1] By pressing one prepreg of a thermoplastic fiber reinforced resin, a plurality of laminated prepregs, or a plurality of laminated prepregs in which an adhesive or an adhesive resin sheet is arranged between the prepregs. , A method for producing a thermoplastic fiber reinforced resin molded product having a thickness of 0.2 to 5.0 mm, in which the upper mold and the lower mold are heated, and the temperatures of the upper mold and the lower mold are set to 170.
- the step of deforming the prepreg by applying a load to the prepreg with the upper mold and the lower mold, and the temperature of the upper mold and the lower mold are measured per minute.
- the step of lowering the temperature at a speed of 5 to 50 ° C. and the step of raising the upper mold and taking out the thermoplastic fiber reinforced resin molded product after the upper mold and the lower mold are sufficiently cooled. Including, method.
- thermoplastic fiber reinforced resin is polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, polyurethane, Teflon (registered trademark), acrylic, polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyether, polyester, or a combination thereof.
- the temperature of the upper mold and the lower mold is maintained at 170 to 270 ° C. for 0.3 to 2 minutes per 1 mm of the thickness of the prepreg when the upper mold is at the bottom dead center position.
- thermoplastic fiber reinforced resin it is possible to carry out press molding of a thermoplastic fiber reinforced resin by appropriate temperature control and appropriate pressure control, and it is possible to produce a highly accurate thermoplastic fiber reinforced resin molded product.
- the fiber-reinforced resin molded product is a prepreg obtained by impregnating and drying a fiber bundle, for example, a fiber bundle such as carbon fiber or glass fiber with a thermoplastic resin or a thermosetting resin, and curing the prepreg by heating and cooling.
- the molded product obtained from the above, the thermoplastic fiber reinforced resin molded product refers to the above-mentioned fiber reinforced resin molded product in which the resin is composed of a thermoplastic resin.
- the thermoplastic fiber reinforced resin molded product is composed of a thermoplastic resin and a resin composition containing one of them.
- the thermoplastic resin include polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, polyurethane, Teflon (registered trademark), acrylic, polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyether (polyetheretherketone, polyetherketone, etc.). Polyethersulfone, etc.), polyester, or a combination thereof and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
- the prepreg 3 of the thermoplastic fiber reinforced resin is press-molded to produce a molded product of the thermoplastic fiber reinforced resin.
- the apparatus for producing the thermoplastic fiber reinforced resin molded product according to the present invention by pressing is paired with the concave upper die 1 arranged above and the upper die 1.
- the concave shape of the upper mold 1 is a female mold for molding the prepreg 3, and the convex shape of the lower mold 4 is a male mold with respect to the upper mold 1.
- the upper mold 1 is provided with a heater 2 for raising the temperature of the upper mold 1
- the lower mold 4 is provided with a heater 5 for raising the temperature of the lower mold 4.
- the upper die 1 and the lower die 4 are heated, and the temperatures of the upper die 1 and the lower die 4 are set to 170 to 270.
- a step of adjusting to ° C. a step of arranging the prepreg 3 between the upper mold 1 and the lower mold 4 (step a), and a step of lowering the upper mold 1 to lower the upper mold 1 and the lower mold 1.
- step d, Fig. 2 The step of lowering the temperature of the lower mold 4 at a rate of 10 to 50 ° C. per minute (step d, Fig. 2) and the upper mold after the upper mold 1 and the lower mold 4 are sufficiently cooled.
- step e step FIG. 3 The step (e step FIG. 3) of raising 1 to take out the thermoplastic fiber reinforced resin molded product 3A is included. If necessary, the temperature of the upper mold 1 and the lower mold 4 is maintained at 170 to 270 ° C. for 0.3 to 2 minutes per 1 mm of the thickness of the prepreg 3 at the position of the lower dead center.
- step c, FIG. 2) is further included.
- a method incorporating a holding step will be described.
- the prepreg 3 uses a thermoplastic fiber reinforced resin prepreg composed of carbon fiber and polypropylene, but is not particularly limited. Further, in this embodiment, the prepreg is made by Mitsubishi Chemical (twill weave, 0.23 mm per sheet), and a plurality of sheets are used so that the thickness of the finished thermoplastic fiber reinforced resin molded product is 1.6 mm. It was carried out by laminating. The technique disclosed in the present specification can be used for a thermoplastic fiber reinforced resin molded product having a thickness of 0.2 to 5.0 mm, and the thickness of the finished product is adjusted by the number of laminated prepregs. be able to.
- an adhesive and / or an adhesive resin sheet may be arranged between the prepregs to increase the laminating strength of the prepregs (make it difficult for the prepregs to peel off from each other).
- the adhesive resin sheet for example, an acrylic adhesive or an acrylic adhesive resin sheet can be used, and the adhesive resin sheet may be placed between all the prepregs to be laminated, or between the prepregs. Of these, the adhesive resin sheet may be placed only where necessary.
- the feature of the present invention is to set an appropriate temperature and pressure in the pressing process.
- the upper mold 1 and the lower mold 4 are heated, respectively.
- the rate of temperature rise of each mold by heating is not particularly limited, and is preferably 5 to 40 ° C./min, more preferably 10 to 30 ° C./min.
- the temperature for molding is 230 ° C. in this embodiment.
- This holding temperature is a temperature close to the temperature for molding, and is a temperature at which the resin is softened between the upper mold 1 and the lower mold 4 and can be shaped by the prepreg 3 arranged later.
- the molding temperature and holding temperature are, for example, in the range from the melting point temperature of the thermoplastic resin of prepreg 3 to the melting point of the thermoplastic resin + 100 ° C., and in one example, from the melting point temperature of the thermoplastic resin to the melting point of the thermoplastic resin + 70 ° C. If the molding temperature or the holding temperature is too high, it causes burning or poor gloss of the thermoplastic fiber reinforced resin molded product, and if the holding temperature is too low, the fluidity of the resin deteriorates, which causes distortion or whitening.
- the prepreg 3 is placed in the lower mold 4 (step a). At this time, in FIG. 4, it is the position (1). At the time of (1) in FIG. 4, the mold is not in contact with the prepreg, and substantially no pressure is applied.
- the holding time at bottom dead center is adjusted mainly by the thickness of the prepreg 3.
- the holding time is between 0.3 and 2 minutes per 1 mm of thickness of prepreg 3. In this embodiment, it is held for about 2 minutes in order to produce a 1.6 mm thermoplastic fiber reinforced resin molded product 3A.
- a more preferable time for holding is that if the holding time is short, heat is not transferred to the entire material, so that it is difficult to obtain a desired shape. In particular, the shaping of the corners is insufficient. Further, if the holding time is too long, the fluidity and color tone of the resin will change.
- the load of the upper mold 1 at the bottom dead center is not particularly limited, and is preferably 800 to 1500 KN, more preferably 900 to 1400 KN.
- the temperature of the molds (upper mold 1 and lower mold 4) is lowered at a predetermined speed (position (4) in FIG. 4). ).
- the upper limit of the descent rate is usually 50 ° C./min or less, more preferably 40 ° C./min or less.
- the lower limit of the descent rate is usually 5 ° C./min or more, preferably 10 ° C./min or more.
- the rate of temperature drop is very important because it affects the surface finish and inner surface strength of the finished product. If the descent speed is high, voids, sink marks, and flow marks may occur. In addition, if the descent speed is too low, it may cause burning and poor gloss. If the descent speed is appropriate, the above-mentioned problems do not occur, and the generation of residual stress can be suppressed.
- Step e the thermoplastic fiber reinforced resin molded body 3A is removed from the upper die 1, and the press molding is completed.
- the mold temperature does not need to be returned to room temperature, and may be, for example, 60 to 90 ° C. If the temperature is high to some extent, the time for reheating can be shortened and the energy required can be reduced.
- thermoplastic fiber reinforced resin which is more difficult to press than metal.
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Abstract
熱可塑性繊維強化樹脂をプレス成形して寸法精度の高い繊維強化樹脂成形品が得られる方法を提供する。 熱可塑性繊維強化樹脂の1枚のプリプレグ3、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ0.2~5.0mmの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型1及び下金型4の温度を170~270℃にする工程と、前記プリプレグを、前記上金型と前記下金型との間に配置する工程と、前記プリプレグに荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、1分あたり5~50℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
Description
本発明は、プリプレグをプレス加工することにより、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法に関する。
近年、環境問題から、自動車業界や航空業界等において燃費向上への取り組みが進められている。その中で、車体や機体の軽量化のため、金属から繊維強化樹脂への代替が期待されていて、注目が大きくなっている。
繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であり、繊維強化樹脂は、これら樹脂で繊維を強化したものである。繊維強化樹脂は、加熱により成形や賦型が可能で、高い生産性を有し、溶着等の二次加工が容易であり、電気絶縁性を有し、また腐食せずリサイクル性にも優れる等の特徴から様々な分野で広く使用されている。
また、繊維として炭素繊維を使った炭素繊維強化樹脂は、軽量であり、高強度高剛性であることから、前述の自動車業界や航空業界をはじめ、船舶業界や宇宙分野、風力発電やスポーツ用品等、幅広い分野で適用研究が行われ既に使用されている。
繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であり、繊維強化樹脂は、これら樹脂で繊維を強化したものである。繊維強化樹脂は、加熱により成形や賦型が可能で、高い生産性を有し、溶着等の二次加工が容易であり、電気絶縁性を有し、また腐食せずリサイクル性にも優れる等の特徴から様々な分野で広く使用されている。
また、繊維として炭素繊維を使った炭素繊維強化樹脂は、軽量であり、高強度高剛性であることから、前述の自動車業界や航空業界をはじめ、船舶業界や宇宙分野、風力発電やスポーツ用品等、幅広い分野で適用研究が行われ既に使用されている。
繊維強化樹脂の成形品の一例としては、ガラスクロス、炭素繊維のような繊維状補強材に、硬化剤や接着剤などの添加物を混合したエポキシ、フェノール、ポリエステルなどの熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥して半硬化状態にしたプリプレグを加熱及び加圧により硬化させる。
繊維強化樹脂の加工は、オートクレーブ成形、オーブン成形、プレス成形、RTM/VaRTM法、引き抜き成形、フィラメントワイディング、シートワインディングなどがあるが、この中でも、生産性が高く、良質な繊維強化樹脂成形品が得られるという観点から、プレス成形が望ましいとされている。
繊維強化樹脂の加工は、オートクレーブ成形、オーブン成形、プレス成形、RTM/VaRTM法、引き抜き成形、フィラメントワイディング、シートワインディングなどがあるが、この中でも、生産性が高く、良質な繊維強化樹脂成形品が得られるという観点から、プレス成形が望ましいとされている。
しかし、繊維強化樹脂は、金属に比べ展延性が小さく、鉄などの金属と同じようなスピードでプレス成形すると、切れたり、皺が発生したりする。また、成形するためにプリプレグに熱をかけすぎると、樹脂粘度が低下しすぎて、樹脂が溶融し、きれいな成形品を形成することができず、また、熱をかけないと粘度が低下しないため、成形不良となってしまうという問題があった。
このような問題に対し、プリプレグの樹脂組成物の流動性を調整する方法として、特許文献1では、「50乃至90重量部の固体エポキシ樹脂と10乃至50重量部の液体エポキシ樹脂との混合エポキシ樹脂と、ゴムと、硬化剤と、を含み、該ゴムは該混合エポキシ樹脂100重量部に対して5乃至60重量部配合され、該硬化剤は該混合エポキシ樹脂100重量部に対して1乃至100重量部配合されている」プリプレグ用樹脂組成物が開示されている(特許文献1:特開2005-213352号公報)。
また、特許文献2には、「常温における保存安定性に優れ、比較的低温、かつ短い時間で加熱硬化することができ、硬化樹脂が高い耐熱性を有するエポキシ樹脂組成物を用いたプリプレグ、加熱加圧硬化時における樹脂の過剰な流動を抑制することができる」プレス成形、特にハイサイクルプレス成形に好適な強化繊維とエポキシ樹脂組成物からなるプリプレグが開示されている(特許文献2:特許第5682837号公報)。
上記、特許文献1や特許文献2に開示されるプリプレグは、プリプレグの樹脂組成物の構成により樹脂の流動性を調整するものであり、開示されている構成の樹脂組成物の場合に限り効果が発揮される。すなわち、上記構成以外の樹脂組成物を使ったプリプレグ(例えば、一般的な組成のプリプレグ)については問題は解決しない。近年、様々な分野で使われる繊維強化樹脂成形品には、その用途や形状、大きさ、そして要求されるコスト等により、必ずしも上記のような限定された樹脂組成物を使うことは出来ず、増加するニーズに対応するプレス成形のすべてに適用することは困難である。
さらに、特許文献1及び2は、いずれも熱硬化性樹脂のプリプレグのものであり、熱可塑性樹脂についての言及はない。
そこで、本発明は、品質、作業効率を下げることのない生産性の高い熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形方法を提供することを目的とする。
さらに、特許文献1及び2は、いずれも熱硬化性樹脂のプリプレグのものであり、熱可塑性樹脂についての言及はない。
そこで、本発明は、品質、作業効率を下げることのない生産性の高い熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形方法を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、繊維強化樹脂をプレス成形して完成度の高い繊維強化樹脂成形品を得られる方法を見出した。すなわち、本発明は以下を包含する。
[1] 熱可塑性繊維強化樹脂の1枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ0.2~5.0mmの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃にする工程と、前記プリプレグを、上金型と下金型との間に配置する工程と、前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が170~270℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、1分あたり5~50℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
[2] 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、テフロン(登録商標)、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、[1]に記載の方法。
[3] 前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ1mmあたり0.3~2分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃に保持する工程をさらに含む、[1]又は[2]に記載の方法。
[1] 熱可塑性繊維強化樹脂の1枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ0.2~5.0mmの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃にする工程と、前記プリプレグを、上金型と下金型との間に配置する工程と、前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が170~270℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、1分あたり5~50℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
[2] 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、テフロン(登録商標)、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、[1]に記載の方法。
[3] 前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ1mmあたり0.3~2分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃に保持する工程をさらに含む、[1]又は[2]に記載の方法。
本発明は、適切な温度管理と適切な圧力管理により熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形を実施することができ、正確性の高い熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造することができる。
本発明を実施するための形態を、実施例の図に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではなく、当業者に周知された範囲で適宜設計変更等することが可能である。
本明細書において、繊維強化樹脂成形品とは、繊維束、例えば、カーボンファイバー、ガラスファイバー等の繊維束を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で含浸・乾燥させたプリプレグを加熱及び冷却により硬化させて得られる成形品であり、熱可塑性繊維強化樹脂成型品とは、上記繊維強化樹脂成型品のうち、樹脂が熱可塑性の樹脂で構成されたものをいう。
また、本発明では、熱可塑性繊維強化樹脂成型品は、熱可塑性樹脂及びそれらの一種を含む樹脂組成物で構成される。
また、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、テフロン(登録商標)、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル(ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等)、ポリエステル又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また、複数混合して用いてもよい。
本明細書において、繊維強化樹脂成形品とは、繊維束、例えば、カーボンファイバー、ガラスファイバー等の繊維束を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で含浸・乾燥させたプリプレグを加熱及び冷却により硬化させて得られる成形品であり、熱可塑性繊維強化樹脂成型品とは、上記繊維強化樹脂成型品のうち、樹脂が熱可塑性の樹脂で構成されたものをいう。
また、本発明では、熱可塑性繊維強化樹脂成型品は、熱可塑性樹脂及びそれらの一種を含む樹脂組成物で構成される。
また、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、テフロン(登録商標)、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル(ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等)、ポリエステル又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また、複数混合して用いてもよい。
[熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形について]
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形は、熱可塑性繊維強化樹脂のプリプレグ3をプレス成形して、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂成形品のプレスによる製造するための装置は、図1に示すように、上方に配置される凹形状の上金型1と、上金型1と対をなす凸形状の下金型4とを含む。
上金型1の凹形状は、プリプレグ3を成形するための雌型であり、下金型4の凸形状は上金型1に対する雄型である。また、上金型1は、上金型1を昇温させるためのヒーター2を備え、下金型4には、下金型4を昇温させるためのヒーター5を備える。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形は、熱可塑性繊維強化樹脂のプリプレグ3をプレス成形して、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂成形品のプレスによる製造するための装置は、図1に示すように、上方に配置される凹形状の上金型1と、上金型1と対をなす凸形状の下金型4とを含む。
上金型1の凹形状は、プリプレグ3を成形するための雌型であり、下金型4の凸形状は上金型1に対する雄型である。また、上金型1は、上金型1を昇温させるためのヒーター2を備え、下金型4には、下金型4を昇温させるためのヒーター5を備える。
本発明のプレス成形方法は、図1~図3の製造工程図に示すように、上金型1と下金型4を加熱し、上金型1及び下金型4の温度を170~270℃にする工程と、プリプレグ3を、上金型1と下金型4との間に配置する工程(a工程 図1)と、上金型1を降下させ、上金型1及び下金型4の温度が170~270℃の範囲で、プリプレグ3に上金型1と下金型4とで荷重をかけることにより前記プリプレグを変形させる工程(b工程 図2)と、上金型1と下金型4の温度を、1分あたり10~50℃の速さで温度を低下させる工程(d工程 図2)と、上金型1及び下金型4が十分冷却したのち、上金型1を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品3Aを取り出す工程(e工程 図3)と、を含む。必要により、上金型1が下死点の位置で、プリプレグ3の厚さ1mmあたり0.3~2分の間、上金型1及び下金型4の温度を170~270℃に保持する工程(c工程 図2)をさらに含む。ここでは、保持する工程を組み込んだ方法について、説明する。
なお、本実施例においてプリプレグ3は、炭素繊維とポリプロピレンからなる熱可塑性繊維強化樹脂プリプレグを用いているが、特に限定されるものではない。
また、本実施例は、プリプレグは三菱ケミカル製(綾織り、1枚あたり0.23mm)を使用し、完成後の熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが1.6mmになるように複数枚積層して実施した。なお、本明細書に開示の技術は、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが0.2~5.0mmの厚さまで使用可能であり、プリプレグの積層枚数により完成品の厚さを調整することができる。さらには、プリプレグを積層する際に、プリプレグとプリプレグの間に接着剤及び/又は接着剤樹脂シートを配置して、プリプレグの積層強度を高める(プリプレグ同士を剥がれにくくする)こともできる。接着剤樹脂シートとして、例えば、アクリル系接着剤や、アクリル系接着剤樹脂シートを使用することができ、積層するすべてのプリプレグとプリプレグの間に配置してもよいし、プリプレグとプリプレグの間のうち、必要な箇所のみ接着剤樹脂シートを配置してもよい。
なお、本実施例においてプリプレグ3は、炭素繊維とポリプロピレンからなる熱可塑性繊維強化樹脂プリプレグを用いているが、特に限定されるものではない。
また、本実施例は、プリプレグは三菱ケミカル製(綾織り、1枚あたり0.23mm)を使用し、完成後の熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが1.6mmになるように複数枚積層して実施した。なお、本明細書に開示の技術は、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが0.2~5.0mmの厚さまで使用可能であり、プリプレグの積層枚数により完成品の厚さを調整することができる。さらには、プリプレグを積層する際に、プリプレグとプリプレグの間に接着剤及び/又は接着剤樹脂シートを配置して、プリプレグの積層強度を高める(プリプレグ同士を剥がれにくくする)こともできる。接着剤樹脂シートとして、例えば、アクリル系接着剤や、アクリル系接着剤樹脂シートを使用することができ、積層するすべてのプリプレグとプリプレグの間に配置してもよいし、プリプレグとプリプレグの間のうち、必要な箇所のみ接着剤樹脂シートを配置してもよい。
本発明の特徴は、プレス工程において、適切な温度と圧力を設定する。まず、プリプレグ3を配置する前に、上金型1と下金型4とをそれぞれ加熱する。加熱による各金型の昇温速度は、特に限定されるものではなく、好ましくは5~40℃/分、より好ましくは10~30℃/分である。
上金型1と下金型4が設定した温度に到達したら、その温度で保持する。成型するための温度は、本実施例では230℃である。この保持温度は、成型するための温度に近傍の温度であり、後に配置するプリプレグ3が、上金型1と下金型4との間で樹脂が軟化し、賦形できる温度である。成型温度及び保持温度は、例えば、プリプレグ3の熱可塑性樹脂融点の温度から熱可塑性樹脂融点+100℃の範囲であり、一例では、熱可塑性樹脂融点の温度から熱可塑性樹脂融点+70℃である。成型温度又は保持温度が高すぎると、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の焼けや光沢不良の原因となり、保持温度が低すぎると樹脂の流動性が悪くなるため、ひずみや白化の原因となる。
次に、プリプレグ3を下金型4に配置する(工程a)。このとき、図4では、(1)の位置である。図4の(1)の時点では、金型がプリプレグに接触しておらず、実質的に圧力はかかっていない。
プリプレグ3を配置した後、上金型1及び下金型4の温度を保持しながら、上金型1を下降する。まもなく、上金型1がプリプレグ3に接し(図4では、(2)の位置)、さらに上金型1が下死点まで降下する(工程c)。上金型1が下死点に達し、荷重は最大値となる(図4では、(3)の位置)。
上金型1が下死点に達した後、荷重及び温度をその状態で所定の時間保持する。下死点における保持時間は、主にプリプレグ3の厚さによって、調整される。通常、保持時間は、プリプレグ3の厚さ1mmあたり0.3~2分の間である。本実施例では、1.6mmの熱可塑性繊維強化樹脂成形体3Aを製造するために、約2分間保持する。保持するより好ましい時間は、保持時間が短いと、材料全体に熱が伝わらないため、所望の形状が得られにくい。特に、角の成形が不十分である。また、保持時間が長すぎると、樹脂の流動性と色調が変化する。
上金型1が下死点における荷重は、特に限定されるものではなく、800~1500KNが好ましく、900~1400KNがより好ましい。
上金型1が下死点の位置で、温度及び荷重を保持した後、金型(上金型1と下金型4)温度を所定の速度で低下させる(図4の(4)の位置)。具体的には、降下速度の上限は、通常50℃/分以下、より好ましくは40℃/分以下である。また、降下速度の下限は、通常5℃/分以上、好ましくは10℃/分以上である。熱可塑性繊維強化樹脂成型品を本発明のようにプレスで形成する場合は、完成品の表面仕上がりおよび内面強度に影響を及ぼすため、温度の降下速度が非常に重要である。降下速度が高い場合は、ボイド、ひけ、フローマークが発生する恐れがある。また、降下速度が低すぎると、焼け、光沢不良の原因となる。適切な降下速度であれば、上記のような問題が発生せず、残留応力の発生も抑制することができる。
上記速度で温度を下げ、熱可塑性樹脂が固まる温度まで低下したとき、上金型1の加圧を停止し(図4の(5)の位置)、上金型1を元の位置になるように上昇させ(工程e)、上金型1から熱可塑性繊維強化樹脂成形体3Aを脱型し、プレス成形を終了する。
連続的にプレスを行う場合、金型温度は室温に戻す必要はなく、例えば、60~90℃であってもよい。ある程度高い温度であれば、再加熱する時間を短縮し、必要とするエネルギーを減少させることができる。
上記プレスにより、金属に比べてプレス加工が難しい熱可塑性繊維強化樹脂のプレス加工を実施することができる。
1:上金型
2:上金型のヒーター
3:プリプレグ
3A:熱可塑性繊維強化樹脂成形体
4:下金型
5:下金型のヒーター
2:上金型のヒーター
3:プリプレグ
3A:熱可塑性繊維強化樹脂成形体
4:下金型
5:下金型のヒーター
Claims (2)
- 熱可塑性繊維強化樹脂の1枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ0.2~5.0mmの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、
上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃にする工程と、
前記プリプレグを、前記上金型と前記下金型との間に配置する工程と、
前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が170~270℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけ、さらに荷重を増大させながら、前記プリプレグを変形させ、下死点では荷重が最大になっている工程と、
前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ1mmあたり0.3~2分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を170~270℃に保持する工程と、
前記上金型と前記下金型の温度を、1分あたり5~50℃の速さで温度を低下させる工程と、
前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含み、
前記熱可塑性繊維強化樹脂の繊維は炭素の繊維束の状態である、方法。 - 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、テフロン(登録商標)、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、請求項1に記載の方法。
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