JP5648270B2

JP5648270B2 - 繊維強化複合材料成形品とその製造方法

Info

Publication number: JP5648270B2
Application number: JP2009106619A
Authority: JP
Inventors: 敦野原; 金子　学; 学金子
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2010253801A

Description

本発明は、繊維強化複合材料成形品とその製造方法に関する。

繊維強化複合材料（以下、「ＦＲＰ」という。）は、軽量で且つ高強度である特徴から、航空機、自動車、スポーツ、レジャー、その他各種工業用途に利用されている。また、ＦＲＰは、それを構成する繊維集束体の配向性によって特徴ある異方性光沢を有し、さらに表面に塗装等の処理を施すことによって、深みのある重厚な外観を与える等の特徴を有する。

近年、これらの特徴に加え、難燃性を付与したＦＲＰも数多く検討され、各種電気・電子機器筐体から航空機内装品、自動車内装品などへの用途が拡がっている。これら電気・電子機器筐体、航空機内装品、自動車内装品に用いる場合には、ＦＲＰ板に同種のＦＲＰや熱可塑性樹脂、金属材料などを接合一体化した三次元形状の部材を用いる場合が多い。
例えば、特許文献１には、可撓性を有する炭素繊維複合材料板の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して結合一体化せしめた炭素繊維複合成形品が開示されている。

特許第３０３５４０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、ＦＲＰに熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化する場合、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面における接着性が不十分となる場合があり、ＦＲＰと熱可塑性樹脂が剥離することがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、特に繊維強化複合材料と熱可塑性樹脂との接合部分の端面において、接着性に優れる繊維強化複合材料成形品とその製造方法の提供を課題とする。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したシート状の繊維強化複合材料の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化した繊維強化複合材料成形品であって、前記熱可塑性樹脂と接合する前記繊維強化複合材料は、端面が当該繊維強化複合材料の厚さ方向に対して平行でないことを特徴とする。
また、前記強化繊維が、炭素繊維であることが好ましい。
さらに、前記マトリックス樹脂が、リンを含有するエポキシ樹脂であることが好ましい。
また、前記熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート樹脂とアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂とのアロイ樹脂であることが好ましい。
さらに、前記接合一体化は、インジェクションプレスによりなされることが好ましい。

また、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したシート状の繊維強化複合材料の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化する繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、前記繊維強化複合材料の熱可塑性樹脂との接合部分のうち、当該繊維強化複合材料の厚さ方向に対して平行にならないように、端面を形成した後に、前記熱可塑性樹脂を射出成形することを特徴とする。
さらに、インジェクションプレスにより、前記熱可塑性樹脂を射出成形することが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、特に繊維強化複合材料と熱可塑性樹脂との接合部分の端面において、接着性に優れる。
また、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法によれば、特に繊維強化複合材料と熱可塑性樹脂との接合部分の端面において、接着性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。

本発明の繊維強化複合材料成形品の一例を示す断面図である。図１の繊維強化複合材料成形品を構成する繊維強化複合材料の一例を示す斜視図である。繊維強化複合材料の他の例を示す斜視図である。繊維強化複合材料の他の例を示す斜視図である。繊維強化複合材料の他の例を示す斜視図である。図３に示す繊維強化複合材料を用いた繊維強化複合材料成形品の一例を示す断面図である。図４に示す繊維強化複合材料を用いた繊維強化複合材料成形品の一例を示す断面図である。図５に示す繊維強化複合材料を用いた繊維強化複合材料成形品の一例を示す断面図である。比較例１により得られた繊維強化複合材料成形品を示す断面図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の繊維強化複合材料成形品の一例を示す断面図である。この例の繊維強化複合材料成形品１０は、シート状の繊維強化複合材料（以下、「ＦＲＰ」という。）１１の表面に、射出成形された熱可塑性樹脂１２が接合一体化されている。

＜繊維強化複合材料＞
本発明に用いるＦＲＰ１１としては、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したプリプレグを、必要に応じて複数積層し、高温高圧下で成形したものが挙げられる。
強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、高強度ポリエステル繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維などの各種の無機繊維または有機繊維を用いることができる。これらの中でも難燃性の観点から炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維が好ましく、さらに比強度および比弾性に優れる点で炭素繊維が特に好ましい。
強化繊維の形態としては、一方向に引き揃えてもよく、織物、またノンクリンプファブリックでもよい。

マトリックス樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド（ＰＡ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリロニトリル−エチレン−スチレン（ＡＥＳ）樹脂、アクリロニトリル−スチレン−アクリレート（ＡＳＡ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリオレフィン（ＰＯ）樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリアクリロニトリルスチレン（ＰＡＳ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂等が挙げられる。
これらの中でも靭性、耐衝撃性に優れる点で熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂が好ましい。さらに電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品、各種工業品に用いることを考慮すると、難燃性を有する点で、リンを含有するエポキシ樹脂が特に好ましい。

ＦＲＰ１１は、熱可塑性樹脂１２が接合する部分のうち、端面１１ａがＦＲＰ１１の厚さＴ_１方向に対して平行でないことを特徴とする。これにより、端面１１ａにおける熱可塑性樹脂との接合面積が、図９に示すような繊維強化複合材料成形品５０に比べて広がる。従って、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面において、ＦＲＰと熱可塑性樹脂の接着性が向上する。
なお、図９に示す繊維強化複合材料成形品５０は、熱可塑性樹脂５２が接合する部分のうち、端面５１ａがＦＲＰ５１の厚さＴ_５方向に対して平行であるＦＲＰ５１の表面に、熱可塑性樹脂５２が射出成形され接合一体化している。

ＦＲＰ１１の端面１１ａの形状は、厚さＴ_１方向に対して平行でなければよく、特に制限されない。例えば図１、２に示すようにＦＲＰ１１の端面１１ａの稜角の上下共にＲ加工が施されている形状、図３に示すようにＦＲＰ２１の端面２１ａの稜角の上側のみＲ加工が施されている形状、図４に示すようにＦＲＰ３１の端面３１ａの上側の稜角が面取りされた１つの平面３１ａ’からなり、該平面の向きが厚さＴ_３方向と異なる形状、図５に示すようにＦＲＰ４１の厚みが段階的に変化する形状などが挙げられる。
なお、図５に示すように、ＦＲＰ４１の端面４１ａが２つ以上の平面４１ａ’を有する場合、少なくとも１つの平面の向きがＦＲＰ４１の厚さＴ_４方向と異なれば、残りの平面の向きは厚さＴ_４方向と同じであってもよく、異なっていてもよい。

＜熱可塑性樹脂＞
ＦＲＰの表面に射出成形する熱可塑性樹脂としては、例えばマトリックス樹脂の説明において先に例示した熱可塑性樹脂や、ポリビニルフォルマール（ＰＶＦ）、あるいはこれらの樹脂を組み合わせてなるアロイ樹脂等、射出成形できる樹脂であればよく、ＦＲＰとの接着性を考慮して適宜選定して使用することができる。これらの中でも、靭性・汎用性に優れる点で、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂、ポリアミド樹脂、ＰＣ樹脂とＡＢＳ樹脂とのアロイ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＥＳ樹脂とのアロイ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＳＡ樹脂とのアロイ樹脂が好適であり、特にＡＢＳ樹脂、ＰＣ樹脂とＡＢＳ樹脂とのアロイ樹脂が適している。
また、ＦＲＰの表面に射出成形する熱可塑性樹脂には、強化繊維、強化充填材、難燃剤、着色剤、安定剤等の添加剤を適宜配合してもよい。

＜繊維強化複合材料成形品の製造方法＞
本発明の繊維強化複合材料成形品は、以下のようにして製造できる。
まず、ＦＲＰの熱可塑性樹脂との接合部分のうち、端面がＦＲＰの厚さ方向に対して平行にならないように、端面を形成する。端面の形成方法としては、例えば端面がＥＲＰの厚さ方向に対して平行にならないように、ＦＲＰの端部を削る方法が挙げられる。
ＦＲＰの端部の削り方としては特に制限されず、例えば図１、２に示すようにＦＲＰ１０の端部１１ｂの全てを面取りする方法（すなわち、稜角の上下共にＲ加工を施す方法）、図３に示すようにＦＲＰ２０の端部２１ｂの一部を面取りする方法（すなわち、稜角の上側のみにＲ加工を施す方法）、図４に示すようにＦＲＰ３０の端部３１ｂを厚さＴ_３方向と異なる方向に切断する方法、図５に示すように端面４１ａに２つ以上の平面４１ａ’ができるように、かつ隣り合う平面４１ａ’同士の向きが異なるように、ＦＲＰ４０の端部４１ｂを切断する方法などが挙げられる。

ついで、端部を削ったＦＲＰを金型に入れ、熱可塑性樹脂を射出成形し、ＦＲＰと熱可塑性樹脂が接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得る。
射出条件としては特に制限されず、用いるＦＲＰや熱可塑性樹脂の種類や、金型の形状に合わせて適宜設定すればよい。

例えば図２に示すＦＲＰ１１を用いた場合、図１に示すようなＦＲＰ１１と熱可塑性樹脂１２が接合一体化した繊維強化複合材料成形品１０が得られる。図３に示すＦＲＰ２１を用いた場合、図６に示すようなＦＲＰ２１と熱可塑性樹脂２２が接合一体化した繊維強化複合材料成形品２０が得られる。図４に示すＦＲＰ３１を用いた場合、図７に示すようなＦＲＰ３１と熱可塑性樹脂３２が接合一体化した繊維強化複合材料成形品３０が得られる。図５に示すＦＲＰ４１を用いた場合、図８に示すようなＦＲＰ４１と熱可塑性樹脂４２が接合一体化した繊維強化複合材料成形品４０が得られる。

本発明の繊維強化複合材料成形品は、既存の射出成形機を用いて製造できるが、大型成形品の成形が可能であり、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性がより強固となる点で、インジェクションプレスを用いることが好ましい。

なお、本発明においては、ＦＲＰの端部が例えば図２〜５に示すような形状になるように、大きさの異なる複数のプリプレグを積層してＦＲＰを作製し、該ＦＲＰを用いて熱可塑性樹脂を射出成形し、繊維強化複合材料成形品を製造してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、熱可塑性樹脂との接合部分のうち、端面がＦＲＰの厚さ方向に対して平行でないＦＲＰを用いて、該ＦＲＰの表面に熱可塑性樹脂を射出成形するので、ＦＲＰの端部における熱可塑性樹脂との接合面積が広がる。従って、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面において接着性に優れ、ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが剥離しにくい繊維強化複合材料成形品が得られる。
また、本発明により得られる繊維強化複合材料成形品は、ＦＲＰ本来の特性、すなわち軽量で、優れた強度、剛性、寸法安定性、耐久性、衝撃吸収性を発現できると共に、ＦＲＰ特有の深みのある重厚な外観を有する。

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
＜ＦＲＰの作製＞
プリプレグ（三菱レイヨン株式会社製のパイロフィルプリプレグ、「品番：ＴＲ３８０Ｇ２００Ｓ」、繊維目付２００ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３３質量％）を３００ｍｍ×３００ｍｍに切断し、炭素繊維が０°／９０°／９０°／０°の向きになるよう４枚積み重ね、１３０℃×９０分、昇温速度２℃／分、圧力０．６ＭＰａの条件でオートクレーブにて硬化し、厚さ０．８ｍｍのＦＲＰを得た。
ついで、得られたＦＲＰを２８０ｍｍ×２２０ｍｍに切断した後、ＦＲＰの端面が図５に示すように、厚さが段階的に変化する形状になるように端部を削った。

＜繊維強化複合材料成形品の製造＞
端部を削ったＦＲＰを金型底部にセットし、熱可塑性樹脂（ＵＭＧＡＢＳ株式会社製の難燃性ポリカーボネート樹脂とＡＢＳ樹脂のアロイ樹脂、「品番：ＣＸ５５Ａ」）を、シリンダー温度２３０℃、金型温度６０℃の条件で、熱可塑性樹脂の高さが５ｍｍになるように射出成形して、図８に示すような、ＦＲＰ４１（厚さＴ_４：０．８ｍｍ）と熱可塑性樹脂４２（高さＨ：５ｍｍ）とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品４０を得た。

得られた繊維強化複合材料成形品は、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面における接着性が良好であり、１ｍの高さから落下させても、ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが剥離することはなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［実施例２］
ＦＲＰ用のプリプレグとして、炭素繊維クロスプリプレグ（三菱レイヨン株式会社製、「品番：ＴＲ３１１０３８０ＧＭＰ」、繊維目付２００ｇ／ｍ^２、樹脂含有率４０質量％）を用いた以外は、実施例１と同様にしてＦＲＰを作製し、ＦＲＰの端面が図２に示すように、稜角の上下共にＲ加工が施され丸みのある形状になるように端部を削った。ついで、実施例１と同様にして該ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品は、実施例１と同様に、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面における接着性が良好であり、１ｍの高さから落下させても、ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが剥離することはなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［実施例３］
ＦＲＰ用のプリプレグとして、一方向に引き揃えた炭素繊維（三菱レイヨン株式会社製、「品番：ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ」）にリンを含有するエポキシ樹脂が含浸したプリプレグ（繊維目付２２５ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３０質量％）４枚を用いた以外は、実施例１と同様にしてＦＲＰを作製し、ＦＲＰの端面が図４に示すように、上側の稜角が面取りされ、断面が台形の形状になるように端部を削った。ついで、実施例１と同様にして該ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品は、実施例１と同様に、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性、特にＦＲＰと熱可塑性樹脂との接合部分の端面における接着性が良好であり、１ｍの高さから落下させても、ＦＲＰと熱可塑性樹脂とが剥離することはなかった。
また、外観はＦＲＰ特有の高級重厚感を有し、電気・電子機器筐体や航空機・自動車内装品をはじめ各種工業用品へ有効に利用できるものであった。

［比較例１］
ＦＲＰの端部を削らなかった以外は、実施例１と同様の条件でＦＲＰの表面に熱可塑性樹脂を射出成形し、図９に示すような、ＦＲＰ５１と熱可塑性樹脂５２とが接合一体化した繊維強化複合材料成形品５０を得た。
得られた繊維強化複合材料成形品は、ＦＲＰと熱可塑性樹脂との接着性は一見良好であったが、１ｍの高さから落下させるとＦＲＰと熱可塑性樹脂が剥離した。

１０、２０、３０、４０、５０：繊維強化複合材料成形品、
１１、２１、３１、４１、５１：繊維強化複合材料、
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ：端面、
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ：端部、
１２、２２、３２、４２、５２：熱可塑性樹脂、
Ｔ_１、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５：厚さ。

Claims

強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したシート状の繊維強化複合材料の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化した繊維強化複合材料成形品であって、
前記熱可塑性樹脂と接合する前記繊維強化複合材料は、端面に隣り合う２つ以上の平面を有し、少なくとも１つの平面の向きが当該繊維強化複合材料の厚さ方向に対して平行でなく、かつ端面における厚みが段階的に変化する、繊維強化複合材料成形品。
前記接合一体化は、インジェクションプレスによりなされる、請求項１に記載の繊維強化複合材料成形品。
強化繊維にマトリックス樹脂が含浸したシート状の繊維強化複合材料の表面に、熱可塑性樹脂を射出成形して接合一体化する繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
前記繊維強化複合材料の熱可塑性樹脂との接合部分のうち、端面に隣り合う２つ以上の平面を形成し、少なくとも１つの平面の向きが当該繊維強化複合材料の厚さ方向に対して平行にならないように、かつ端面における厚みが段階的に変化するように、端面を形成した後に、前記熱可塑性樹脂を射出成形する、繊維強化複合材料成形品の製造方法。
インジェクションプレスにより、前記熱可塑性樹脂を射出成形する、請求項３に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。