JP2008246690A

JP2008246690A - 樹脂トランスファー成形法

Info

Publication number: JP2008246690A
Application number: JP2007087311A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Majima; 祐介間嶋; Kentaro Shima; 健太郎島
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】ピンホールやボイドのない優れた成形品を得るためのＲＴＭ成形法を提供すること。
【解決手段】上型１と下型２からなる金型内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材５を配置し、金型を型締めした後、上型と下型が形成するキャビティ内を排気し、樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして硬化させる樹脂トランスファー成形法において、先ずキャビティ内に樹脂の加圧注入を行い、次いで、注入された樹脂の一部を吸引し、その後、再度樹脂の加圧注入を行うことを特徴とする樹脂トランスファー成形法。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂トランスファー（ＲＴＭ）成形法に関し、更に詳しくは、最適な成形条件を設けることによって、ピンホール等の欠陥のない優れた成形品を得ることのできるＲＴＭ成形法の改良に関する。

ＲＴＭ成形法は、長繊維や短繊維からなる繊維強化材を、成形品形状に賦形したプリフォームあるいはシート状で、上型下型からなる金型内部に配置し、金型を型締めした後、樹脂注入口から樹脂を減圧下に注入して繊維強化材に含浸させ、必要なら加熱して硬化の後、金型を開いて脱型する成形方法である。いわゆるプリプレグが必要でなく、オートクレーブ法やハンドレイアップ法に比べて生産性が良く、両面の仕上がりの良い、品質の優れた成形品が得られるという特徴がある。

従来、樹脂の繊維強化材への拡散速度を高めて注入時間を短縮する方法として、型に溝を形成する方法、樹脂流動基材（メディア）を用いる方法、溝加工や貫通穴加工をしたコア材を用いる方法がある。これらの方法はいずれも、樹脂の流路を確保することにより樹脂の拡散速度を向上させ、樹脂の注入に要する時間を短縮するものである。

例えば、特開２００１−６２９３２号公報（特許文献１）には、溝を形成した型と樹脂流動基材を用いる方法が記載されている。溝を形成した型上に、繊維強化材、コア材、繊維強化材を順に積層し、更に樹脂流動基材を重ね、積層した材料と樹脂流動基材とをバギングフィルムで覆って内部を減圧した後、溝と樹脂流動基材とから樹脂を注入することによりサンドイッチ積層板を製造するものである。しかしこの方法でも、樹脂の流動性が十分でない場合がある。

また、例えば、特開２０００−５０１６５９号公報（特許文献２）に記載されたような樹脂流動基材を用いる方法は、次のような問題がある。樹脂流動基材は網状のシートで、型に敷設した繊維強化材に重ねて配置して使用されるが、成形後に軽量化のため取り除かれ廃棄される。従って、樹脂流動基材を用いる方法は、成形後に樹脂流動基材を取り除く必要があり、樹脂流動基材を再利用できないことから成形品の製造コストが高く、またそれ自体が廃棄物となる問題がある。更に、これらの方法により得られた成形品の表面には、型に形成した溝や樹脂流動基材の凹凸を転写した樹脂の突起物が形成される。ピールクロスを用いることにより、樹脂の突起物をある程度除去することは可能であるが、より製造コストの高いものとなる上、意匠性の高い平滑な表面とすることは困難である。

更に、例えば、特開２００２−８６５７９号公報（特許文献３）に記載されたような溝や貫通孔を形成したコア材を用いる方法は、樹脂流動基材や溝を形成した型等を必要とせず、比較的低コストでサンドイッチ積層板を製造することができる。また、特開２００５−１９３５８７号公報（特許文献４）には、金型のキャビティ内への樹脂の注入速度を特定の条件範囲に設定することによって、表面に気泡等の少ない優れた表面意匠性を有するＦＲＰ成形品を得る方法も提案されている。しかしながら、いずれの場合も、樹脂の繊維強化材に対する均一な含浸性や、樹脂の流動性は必ずしも十分ではなく、一段の改良が望まれていた。

特開２００１−６２９３２号公報特表２０００−５０１６５９号公報特開２００２−８６５７９号公報特開２００５−１９３５８７号公報

ＲＴＭ成形法において、一般に、金型のキャビティ内を減圧下で樹脂を注入すると、樹脂が繊維強化材に含浸するに従い、キャビティ内の真空度は均一にならずに、排気口から離れるにつれ真空度が低下する。そして、排気口から最も遠く位置する樹脂注入口付近と排気口付近の真空度が異なり、硬化後の成形物の厚みが異なったものとなる。かかる問題点を改善するために、樹脂を加圧注入することも行われている。しかしながら、一度樹脂がキャビティ内に注入充填されると樹脂の流動性が少なくなり、樹脂表面のエアー抜きができず、その結果、成形品にピンホールが発生するという問題がある。あるいは、繊維強化材に樹脂未含浸部分が発生し、内部にボイドが発生するという問題もある。従って、本発明の目的は、金型のキャビティ内に樹脂を注入する際、樹脂が繊維強化材に均一に拡散・含浸するような工夫をすることによって、硬化後にピンホールやボイドのない優れた成形品が得られるＲＴＭ成形法を提供することにある。

本発明の請求項１に記載された発明は、上型と下型からなる金型内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材を配置し、金型を型締めした後、上型と下型で形成されるキャビティ内を排気し、樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして硬化させる樹脂トランスファー成形法において、先ずキャビティ内に樹脂の加圧注入を行い、次いで、注入された樹脂の一部を吸引し、その後、再度樹脂の加圧注入を行うことを特徴とする樹脂トランスファー成形法である。

請求項２に記載された発明は、金型の一端に形成された排気口からキャビティ内を吸引し、真空度を−０．１〜−０．０８ＭＰａとし、次いで、金型の他端に形成された樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入し、その後、加圧注入を止め注入された樹脂の一部を樹脂注入口の外に取り出し、その後、再度、樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入する請求項１記載の樹脂トランスファー成形法である。

そして、請求項３に記載された発明は、キャビティ内への樹脂の加圧注入、加圧注入された樹脂の一部の吸引、そしてその後の、樹脂の再加圧注入を繰り返すことを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂トランスファー成形法である。

本発明によれば、工業的に有利なＲＴＭ成形法が提供され、それによって、繊維強化材に対する樹脂の拡散・含浸性が良く、従って、ピンホールやボイドが少なく且つ厚さが均一な成形品が得られる。

ＲＴＭ成形法においては、上型と下型からなる金型内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材を配置し、金型を型締めした後、上型と下型が形成するキャビティ内を排気し、樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして硬化させる方法がとられる。プリフォームとは、例えば、繊維強化材の連続ストランドを熱可塑性樹脂をバインダーとして結合し、成形型に近似した形状寸法に製作した半成形品である。

本発明においては、ＲＴＭ成形法において、先ずキャビティ内に樹脂の加圧注入を行い、次いで、注入された樹脂の一部を吸引し、その後、再度樹脂の加圧注入を行うことを特徴とする方法である。従来通り、キャビティ内を減圧状態にして、一度樹脂を加圧充填させるが、従来の方法と異なるのは、樹脂が十分に充填された後、注入口から充填した樹脂の一部を注入口外まで（樹脂タンクまで）戻し、その後再加圧注入することで、樹脂をキャビティ内で流動させるものである。かかる方法によって、樹脂表面のエアー抜きが行われ、また、繊維強化材への樹脂の含浸も均一になり、ピンホールやボイドの無い成形品が得られる。

好ましいのは、金型の一端に形成された排気口からキャビティ内を吸引し、真空度を−０．１〜−０．０８ＭＰａとし、次いで、金型の他端に形成された樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入し、その後、加圧注入を止め注入された樹脂の一部を樹脂注入口の外に取り出し、その後、再度、樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入するやり方である。加圧注入は、排気口からキャビティ内を吸引し、キャビティ内を減圧した段階で排気口を閉じて行っても良いし、あるいは排気口を閉じることなく減圧しながら行っても良い。この場合には、樹脂が排気口から流れ出す状態になった時点で、排気口を閉じれば良い。再度の加圧注入は、排気口を閉じた状態で行うのが良い。

樹脂を加圧注入した後、注入された樹脂の一部は吸引され、樹脂注入口の外に取り出されるが、その樹脂の量（割合）は特に制限はない。注入した樹脂の１０〜５０％の範囲が適当である。注入された樹脂の一部を吸引し樹脂注入口の外に取り出すやり方としては、排気口を閉じた後、樹脂の一部を樹脂注入口から積極的に減圧吸引しても良いし、あるいは単に、加圧注入を止めるか、加圧注入の圧力を下げることによって一部の樹脂を逆流させても良い。

成形品の形状が複雑な場合、あるいは樹脂の粘度が高い場合等、キャビティ内への樹脂の加圧注入、注入された樹脂の一部の吸引、そしてその後の、樹脂の再加圧注入を繰り返し、含浸をより均一にすることもできる。樹脂注入時の樹脂の粘度は、０．０１〜１Ｐａ・ｓであるのが好ましい。

本発明において用いられる繊維強化材としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の、通常の繊維強化材に用いる材料が使用できる。中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。繊維強化材の形態としては特に制限されず、織物又は不織布等が利用できる。織物としては、強化繊維フィラメントの束（強化繊維ストランド）を使用した織物を挙げることができ、例えば、経糸と緯糸に強化繊維ストランドを使用した平織物、綾織物、繻子織物等、あるいは一軸織物、多軸織物等を挙げることができる。織物を形成する強化繊維ストランドは、繊維径４〜８μｍのモノフィラメントを一束あたり５００〜２４，０００本とすることが好ましい。なお、一軸織物とは、互いに平行に並んだ強化繊維ストランドをナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。多軸織物とは、互いに平行に並んだ強化繊維ストランドを角度を変えて積層してナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。

繊維強化材として織物を使用する場合には、複数の織物を互いに角度を変えて積層してもよい。繊維強化材は、それ自体が強化繊維の配向が面対称のものを用いるか、あるいは複数の繊維強化材を、強化繊維の配向が面対称となるように組み合わせて積重し使用するのが好ましい。面対称の繊維強化材あるいは積重して面対称とした繊維強化材を用いることにより、積層板とした際に表面板の反りを防止できる。織物の厚さは、積層板の用途により適宜選択するものであり、特に制限はないが、通常０．２〜５．０ｍｍ程度とすることが好ましい。繊維強化材の目付は、使用する繊維強化材により異なるが、炭素繊維の場合には３００〜５，０００ｇ／ｍ^２程度が好ましく、３００〜２，０００ｇ／ｍ^２程度がより好ましい。また、プリフォームの形状や種類についても何ら限定されるものではない。

本発明において用いられる樹脂は、好ましいのは熱硬化性樹脂であるが、熱可塑性樹脂も混合して用いることができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等があり、これらの熱硬化性樹脂を適宜量配合したものでも良い。これらの樹脂のうち、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤等が含まれていてもよい。

本発明において用いられる金型としては、特に制限はないが、剛性の高い金属の金型やＦＲＰ型等の金型が用いられる。下型には、シリコーンワックス等の公知の離型剤を用いて離型処理した後、繊維強化材を敷設・積層しても良い。また、成形品を取出す際の離型性を高める目的で、繊維強化材上にはピールクロス等を重ねても良い。以下、実施例により本発明を詳述する。

図１に示したようなＲＴＭ成形装置を用いて成形を行った。図１において、１は金型の上型、２は金型の下型、３と４はシール部材、５は金型のキャビティ内に敷設・積層された繊維強化材、６は排気管であり真空ポンプ（図示せず）につながっている。７は樹脂注入管であり、樹脂タンク１０につながっている。８と９は共に開閉用のバルブである。樹脂タンク１０は、圧空導入管１１から圧空を導入して加圧できるようになっている。

炭素繊維（東邦テナックス社製）を使用した織物（ＣＦ目付１００〜５００ｇ／ｍ^２、ストランド幅２〜５ｍｍ）を幅１，０００ｍｍ、長さ１，０００ｍｍにカットした。鉄製の金型の下型に離型処理を施し、その上に前記織物を３枚敷設・積層した。織物の配置は０／９０°方向に積層した。次いで、この上に上型をかぶせ型締めし密封した。

先ず、図１の樹脂注入管７のバルブ９を閉じた後、排気管６のバルブ８を開き、排気管につながった真空ポンプで、金型の上型と下型で形成されるキャビティ内を排気し、真空度を−０．１〜−０．０８ＭＰａとした。金型は６０〜１００℃に加温した。その後、樹脂タンク１０（エポキシ樹脂を１００質量部、硬化剤を１．０〜５．０質量部混合した混合液のタンク）につながっている樹脂注入管７のバルブ９を開き、２５℃雰囲気下で、樹脂注入管７からキャビティ内に樹脂を注入し、炭素繊維の積層物に含浸させた。樹脂の注入は、圧空導入管１１から樹脂タンク１０に圧空を導入することによって、樹脂の注入圧力が４ｋｇｆ／ｃｍ^２になるようにして行った。樹脂の注入は、注入された樹脂の一部が排気管６に流れ出て来た時点で、バルブ８を閉じて止めた。なお、バルブ８は成形の終了まで閉じたままとした。

その後も樹脂を注入し続け、キャビティ内に樹脂が完全に充填されるまで加圧注入を継続した。樹脂が完全に充填されたかどうかは、樹脂タンク１０の樹脂の重量を測定することにより、樹脂の重量が減少しなくなり、これ以上キャビティ内に樹脂が入らない状態になった時をもって判断した。
その後、樹脂タンク１０の加圧を止めて常圧（０ｋｇｆ／ｃｍ^２）に戻した。かかる操作で、約２０〜３０％の樹脂がキャビティから樹脂タンク１０に逆流した。次いで、前記と同様にして、圧空導入管１１から圧空を導入することによって樹脂タンク１０を加圧し、樹脂の注入圧力が４ｋｇｆ／ｃｍ^２で樹脂を再加圧注入した。

その後、樹脂の注入圧力は維持したまま樹脂を硬化させ、炭素繊維とエポキシ樹脂からなる成形品を得た。得られた成形品は、厚みが均一でピンホールやボイドが全く見られない優れた品質の物であった。

図１は、本発明のＲＴＭ成形法の一例を説明するための図である。

符号の説明

１金型の上型
２金型の下型
３、４シール部材
５繊維強化材
６排気管
７樹脂注入管
８、９開閉用のバルブ
１０樹脂タンク
１１圧空導入管

Claims

上型と下型からなる金型内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材を配置し、金型を型締めした後、上型と下型で形成されるキャビティ内を排気し、樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして硬化させる樹脂トランスファー成形法において、先ずキャビティ内に樹脂の加圧注入を行い、次いで、注入された樹脂の一部を吸引し、その後、再度樹脂の加圧注入を行うことを特徴とする樹脂トランスファー成形法。
金型の一端に形成された排気口からキャビティ内を吸引し、真空度を−０．１〜−０．０８ＭＰａとし、次いで、金型の他端に形成された樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入し、その後、加圧注入を止め注入された樹脂の一部を樹脂注入口の外に取り出し、その後、再度、樹脂注入口からキャビティ内に樹脂を１〜７ｋｇｆ／ｃｍ^２の注入圧力で加圧注入する請求項１記載の樹脂トランスファー成形法。
キャビティ内への樹脂の加圧注入、加圧注入された樹脂の一部の吸引、そしてその後の、樹脂の再加圧注入を繰り返すことを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂トランスファー成形法。