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TW201930056A - 纖維強化塑膠成形品 - Google Patents

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TW201930056A
TW201930056A TW107136791A TW107136791A TW201930056A TW 201930056 A TW201930056 A TW 201930056A TW 107136791 A TW107136791 A TW 107136791A TW 107136791 A TW107136791 A TW 107136791A TW 201930056 A TW201930056 A TW 201930056A
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TW
Taiwan
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fiber
reinforced plastic
plate
molded product
convex
Prior art date
Application number
TW107136791A
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English (en)
Inventor
藤田雄三
足立健太郎
唐木琢也
Original Assignee
日商東麗股份有限公司
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Publication date
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Abstract

本發明之課題為藉由在薄壁的纖維強化塑膠上設置凸條(rib)，而提供輕量且具有高力學特性之纖維強化塑膠成形品。
該纖維強化塑膠成形品係包含纖維強化塑膠構造部的纖維強化塑膠成形品，前述纖維強化塑膠構造部包含纖維與樹脂，具有板狀部與從板狀部之表面突出的凸條，前述板狀部係纖維的體積含有率為50~70%，平均厚度為1.5mm以下，前述凸條係平均寬度為0.1~1.5mm，包含存在於前述板狀部與前述凸條中，凸條內的高度達到0.5mm以上之纖維。

Description

纖維強化塑膠成形品
本發明係關於在薄壁的板狀部之表面上設有為突出部的凸條(rib)之纖維強化塑膠成形品。
包含強化纖維與樹脂之纖維強化塑膠，由於比強度、比剛性高，力學特性優異，具有耐候性、耐藥品性等的高機能特性等，在產業用途中亦受到矚目，於飛機、太空飛行機、汽車、鐵路、船舶、電化製品、運動等之構造用途中展開，其需求係正在逐年升高。
於纖維強化塑膠中，亦與金屬或塑膠同樣地，藉由設置凸條作為構造，即使為相同的重量，也能展現高的剛性，可期待更輕量化的效果。例如，於專利文獻1中，將由不連續強化纖維與熱塑性樹脂所成之成形材料，配置於具有成形凸條用的開口部之模具，藉由加壓成形而成形凸條。當時，藉由使用2種以上的成形材料，得到表面外觀或尺寸精度優異之成形品。於專利文獻2中，亦同樣地由2種以上的成形材料得到具有凸條的成形品，以複數的凸條交叉之方式，成形纖維強化塑膠成形品，藉此尋求翹曲的抑制效果。又，於專利文獻3中，得到具有凸條的成形品，其係由經單向配向的 強化纖維與樹脂所構成，藉由切口使強化纖維成為不連續之切口預浸漬物，將該切口預浸漬物加壓而得者。由於保持將切口預浸漬物積層時的層構造，可成形具有高力學特性的凸條。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2013-176984號公報
專利文獻2：國際公開第2016/159118號小冊
專利文獻3：國際公開第2008/038429號小冊
然而，於專利文獻1記載的發明之成形品中，由於凸條內不連續纖維係隨機地配向，故有強化纖維的體積含有率(Vf)變低之傾向，於具體例中遠低於50%，故在成形品之薄壁化、輕量化有限度。
於專利文獻2中，由於在凸條中存在僅由樹脂所構成的部分，雖然輕量，但力學特性不充分。
又，於專利文獻3中，雖然纖維的體積含有率為45~65%之比較的高，但對於薄壁的構造體，無法實現凸條成形。
因此，本發明之課題在於提供一種纖維強化塑膠成形品，其雖然被極限地薄壁化，但是顯示充分的力學特性。
本發明者們為了解決如此的課題，提供下述之纖維強化塑膠成形品。即，一種纖維強化塑膠成形品，其係包含纖維強化塑膠構造部的纖維強化塑膠成形品，前述纖維強化塑膠構造部包含纖維與樹脂，具有板狀部與從板狀部之表面突出的凸條，前述板狀部係纖維的體積含有率為50~70%，平均厚度為1.5mm以下，前述凸條係平均寬度為0.1~1.5mm，包含存在於前述板狀部與前述凸條中，凸條內的凸條之高度方向中的高度達到0.5mm以上之纖維。
若依照本發明，可提供一種纖維強化塑膠成形品，其係藉由在薄壁的纖維強化塑膠之板狀部上設置凸條，而輕量且具有高的力學特性。
1‧‧‧板狀部
2‧‧‧凸條
3‧‧‧存在於板狀部與凸條之兩者的纖維
4‧‧‧板狀部之無凸條側的表面
圖1係本發明之纖維強化塑膠成形品之概念圖。
圖2係實施例所成形的纖維強化塑膠構造部之形狀。
圖3係實施例所成形的曲面之板狀部之形狀。
[實施發明之形態]
以下說明本發明之纖維強化塑膠成形品之實施形態。再者，以下亦有將纖維強化塑膠成形品僅簡記為成形品，將纖維強化塑膠成形品中所包含的強化纖維僅簡記為纖維的情況。
本發明之纖維強化塑膠成形品包含含有纖維與樹脂之纖維強化塑膠構造部，該纖維強化塑膠構造部包含板狀部及從板狀部突出的凸條。纖維強化塑膠成形品只要包含纖維強化塑膠構造部，則亦可為與金屬等不是纖維強化塑膠的零件或構件之接合體，或與不包含凸條的纖維強化塑膠製零件之接合體，另一方面，也可僅由纖維強化塑膠構造部所形成。
前述所謂纖維強化塑膠構造部之板狀部，於本發明中就是指板狀體的纖維強化塑膠，在其上設有凸條者係成為本發明之纖維強化塑膠構造部的主要部分。再者，以下亦有將纖維強化塑膠構造部之板狀部僅簡記為板狀部的情況。於本發明中，纖維的體積含有率(以下，稱為Vf)為50~70%。由於Vf為該範圍，可高效率地展現纖維的力學特性，即使板狀部為薄壁，也能得到充分的力學特性。就較佳的Vf之範圍而言為53~63%，更佳為55%~60%。再者，Vf之範圍亦可為組合有上述之上限與下限之任一者的範圍。
於本發明中，板狀部的平均厚度為1.5mm以下。通常，若板狀部的平均厚度厚，則力學特性升高，但重量增加。又，成形前的基材厚度愈厚，愈更多的基材往凸條流入，故凸條的成形性升高。因此，於成形後的纖維強化塑膠構造部中，當板狀部的厚度大於1.5mm時，雖然可容易地設置許多的凸條，但是成形品全體的重量變比較大。相對於此，於本發明之纖維強化塑膠成形品中，即使纖維強化塑膠構造部的板狀部之厚度設為 1.5mm以下，也藉由使凸條的平均寬度與存在於板狀部和凸條中的纖維狀態成為特定之範圍，而能成形的凸條構造與重量之平衡良好，找到雖然具有高的剛性，但是維持輕量性的成形品。使用纖維強化塑膠構造部的板狀部之厚度為1.5mm以下者，雖然不容易實現上述之構造用途所要求的力學特性，但是於本發明中，藉由凸條的構造及高的纖維體積含有率，即使平均厚度為1.5mm以下，也能保持充分的力學特性。從纖維強化塑膠成形品的重量之觀點來看，纖維強化塑膠構造部的板狀部之平均厚度較佳為0.9mm以下。另一方面，當纖維強化塑膠構造部的板狀部之平均厚度過薄時，不能說是沒有板狀部本身破裂之虞，故板狀部之平均厚度較佳為0.2mm以上。就更佳的板狀部之平均厚度而言為0.25~0.75mm，尤佳為0.35~0.55mm。再者，板狀部之平均厚度亦可為組合有上述之上限與下限之任一者的範圍。板狀部只要平均厚度為1.5mm以下，則亦可包含1.5mm以上的厚度之地方。板狀部之平均厚度的測定方法係如實施例中後述者。
板狀部亦可具有積層構造，也可不具有積層構造。關於纖維之配向方向，可纖維僅在單向中配向，但當時由於在非纖維方向中容易破裂，故較佳為含有具有正交的積層構成或模礙等向的積層構成。積層數係依賴於各層之厚度，但包含4層以上者由於可在多方向中提高板狀部的剛性而較宜。實際的積層數之最大為20層。當Vf為50~70%時，即使於積層構造中各層的厚度 薄時，也可在各層內包含充分量的強化纖維，積層設計之自由度升高。
於本發明中，各個凸條之平均寬度為0.1~1.5mm。此處所謂的「凸條之寬度」，並非凸條之長度方向，而是橫向之長度(將凸條視為面板時的厚度)，為於測定點中測定值成為最小的方向所測定之值。當凸條之寬度為大略一定時，凸條之平均寬度係可在凸條之長度方向中，自凸條之邊端起10~30%、30~70%、70~90%的3處中之各自任意選擇的位置(以下，亦有簡記為凸條之長度方向的測定位置的情況)中，從凸條之高度方向30~70%之範圍(以下，亦有簡記為凸條之高度方向的測定位置的情況)選擇各1處的測定位置，將所測定的寬度之值予以平均而得。此處所謂的「凸條之高度方向」，就是指對於板狀部之表面呈垂直的方向。再者，當具有凸條之寬度在凸條之高度方向中變化的形狀時，使用在凸條之高度方向中凸條之高度的50%之位置的凸條之寬度的值，算出平均值，當具有凸條之寬度在長度方向中變化的形狀時，在凸條之長度方向的全體中，均等間隔地取得10點的測定地方，將10點的寬度之值平均。凸條之平均寬度愈大，補強效果愈高，但若凸條之平均寬度過大，則成形品的重量增加，故較佳為1.5mm以下。若凸條之平均寬度過小，則有凸條會被折斷的情況，故較佳為0.1mm以上。更佳的凸條之平均寬度為0.3~1.2mm，尤佳為0.5~1.0mm。若凸條係平均寬度為0.1~1.5mm，則可在凸條內包含0.1~1.5mm之範圍外的寬 度區域。再者，凸條之平均寬度亦可為組合有上述之上限與下限之任一者的範圍。
又，於本發明中，當凸條之寬度從凸條之根部朝向凸條之前端逐漸地變薄時，由於在纖維強化塑膠成形品製造時從加壓模具的脫模變容易而較宜。
凸條內之纖維的體積含有率(Vf)係沒有特別的限定，但比30%更大者係因維持力學特性而較宜。就更佳的凸條內之Vf而言係與板狀部同樣地為50~70%。Vf之測定方法係如實施例中後述者。
於本發明中，纖維強化塑膠構造部之凸條包含存在於凸條與板狀部之兩者，且凸條內的凸條之高度方向中的高度達到0.5mm以上之纖維。由於在凸條內包含亦存在於板狀部之纖維，凸條與板狀部之接合強度變高，凸條變得難以被折斷。此處所謂的接合強度係表示對於凸條與板狀部之間的破壞之抵抗性的概念。再者，於本發明之纖維強化塑膠構造部中，凸條係藉由一體成形而從板狀部突出者，不是接合者，但對於凸條與板狀部之間的破壞之抵抗性由於是對應於凸條與板狀部接合者的接合強度之特性，故方便上以接合強度表現。於凸條內，該纖維到達高度愈高，凸條變得愈難以被折斷。較佳為包含從板狀部連續，且在凸條內達到1.0mm以上之纖維，更佳為1.5mm以上。存在於板狀部與凸條之兩者的纖維較佳為5mm以上包含於板狀部中，更佳為8mm以上。存在於板狀部與凸條之兩者的纖維，在板狀部中可含有的長度之實際的最大值為50mm。
存在於板狀部與凸條之兩者的纖維，係可從凸條之剖面來確認其存在。與測定凸條之平均寬度時同樣地，於凸條之長度方向中從凸條的一端到另一端之距離的10~30%、30~70%、70~90%的3處各自中，抽出各1處的包含板狀部之剖面，以顯微鏡觀察。當板狀部具有層構造時，至少一層係在凸條的高度方向中達到0.5mm以上時，可視為包含從板狀部連續，且高度達到0.5mm以上之纖維。
圖1顯示具有板狀部1與凸條2，本發明中的纖維強化塑膠構造部之例，於凸條之中包含存在於板狀部與凸條之兩者的纖維3。纖維3在凸條內達到的高度L係可由從板狀部之無凸條側的表面4起到在纖維3的凸條內到達最大高度為止之距離，扣除了板狀部之平均厚度而算出。
於凸條中，亦可包含不存在於板狀部與凸條之兩者，僅存在於凸條中的纖維。如此的纖維係具有提高凸條之長度方向的剛性之效果。
凸條係可具有積層構造，也可不具有積層構造。凸條之寬度愈細，愈難以成形具有積層構成的凸條。為了包含跨越板狀部與凸條之兩者的纖維，較佳為至少凸條之根部的纖維強化塑膠構造部係具有積層構造。此處，所謂凸條之根部的纖維強化塑膠構造部，就是指於纖維強化塑膠構造部中，將凸條之正下方的板狀部中之未形成凸條側的板狀部之表面4當作基準面，向該基準面與從該基準面形成有凸條之表面側，以後述的實施例中記 載之方法所計測的板上部之僅平均厚度的分隔位置之間的區域。
就凸條之高度而言係沒有特別的限定，愈高則愈有剛性提高的效果，另一方面，若過高則凸條本身亦變容易被折斷。一般而言，若凸條之高度為3mm以上，則可得到人力難以彎曲凸條正下方的板狀部之程度的剛性。嚴格來說實際上的凸條之最大高度係依賴於板狀部之大小，但較佳為50mm以下。
此處所謂的凸條之高度，就是指從板狀部的具有凸條側的表面起到凸條的前端為止之凸條的高度方向之距離。於板狀部之形狀具有曲面或凹凸面時或凸條形狀為複雜時，有隨著計測凸條的高度之位置而取得不同值之可能性，如此的情況係在凸條長度方向之全體中，均等間隔地取得10點的測定地方，將10點的凸條之高度值的最大值當作凸條之高度。於纖維強化塑膠成形品中設有複數的凸條時，對於彼等全部的凸條，計測凸條之高度，將彼等之值的最大值當作纖維強化塑膠成形品的凸條之高度。
於本發明中，纖維係意指玻璃纖維、克維拉纖維、碳纖維、石墨纖維或硼纖維等一般作為纖維強化塑膠的強化纖維使用之纖維。其中，從比強度及比彈性模數之觀點來看，較佳為碳纖維。複數種的纖維亦可混合存在。
於本發明中，纖維強化塑膠構造部中所包含的樹脂係可為熱硬化性樹脂，也可為熱塑性樹脂。作為 熱硬化性樹脂，可舉出不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、環氧樹脂、苯并樹脂、酚樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂及聚醯亞胺樹脂等。亦可使用此等之樹脂的變形及2種以上的摻合樹脂。又，此等之熱硬化性樹脂係可為因熱而自硬化之樹脂，也可包含硬化劑或硬化促進劑等。作為熱塑性樹脂，例如可舉出聚醯胺(PA)、聚縮醛、聚丙烯酸酯、聚碸、ABS、聚酯、丙烯酸、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯、聚丙烯、聚伸苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)、液晶聚合物、氯乙烯、聚四氟乙烯等之氟系樹脂、聚矽氧等。
其中，較佳為熱硬化性樹脂，特佳為環氧樹脂組成物。於熱硬化性樹脂中，亦可摻合熱塑性樹脂。由於使樹脂成為熱硬化性樹脂，纖維強化塑膠構造部係與強化纖維之密著性優異，可成為具有高耐熱性的纖維強化塑膠。
於本發明中，凸條係不限定於例如像圖2(a)所示的1條之情況，較佳為如圖2(b)~(e)地複數條存在。由於複數條的凸條存在，可不加厚板狀部，容易達成使纖維強化塑膠構造部之剛性提高。關於凸條之條數，並沒有特別的限定。另一方面，為了能抑制板狀部之凹陷，較佳為以適度的間隔進行配置。複數之凸條亦可為各自不同的寬度、不同的長度、不同的高度，也可彼等為相同形狀的凸條。又，亦可以複數條的凸條中之一部分或全部為交叉的方式設置。例如，可舉出圖2(e) 中2條凸條交叉的情況之例。
作為凸條複數條存在時的較佳態樣，可舉出凸條3條以上存在，其中至少3條不互相交叉之態樣。藉由設置3條以上的不交叉之凸條，可以凸條補強板狀部之比較廣的範圍。
再者，於3條以上的凸條之中，至少3條不互相交叉之情況中，作為較佳的態樣，可舉出包含凸條之間的距離為15mm以下之地方的態樣，更佳為包含13mm以下之地方的態樣。尤佳為在任何凸條之間，其距離在任意之地方皆為15mm以下之態樣。於如此的態樣中，凸條特佳為大略平行。由於複數條的凸條存在，可補強板狀部的廣範圍，但由於凸條之間的距離為15mm以下，在板狀部中不是凸條正下方的地方，亦可達成凸條的補強效果，可更強固地補強板狀部。特佳為在任何凸條之間其距離皆為13mm以下。就實際的凸條之間的最小距離而言為3mm。該3條以上的凸條係設置在板狀部需要補強的地方，補強板狀部者。較佳為該3條以上的凸條所包圍的面積係具有板狀部的面積之60%以上的面積。所謂3條以上的凸條所包圍的面積，就是3條以上的凸條中最遠離的2條凸條之邊與連接相鄰的各凸條之長度方向端部彼此之線段所成之邊所包圍的區域之面積。
作為凸條複數條存在的情況之另一較佳態樣，可舉出至少2條凸條交叉之態樣。更佳為凸條4條以上存在，不互相交叉的3條以上之凸條及與彼等之凸 條交叉的凸條並存之態樣。由於具有交叉的凸條，可對於複數之方向使剛性提高。
於本發明中，板狀部亦可具有曲面形狀。由於對於曲面形狀的板狀部設置凸條，可抑制曲面之凹陷，重量增加少而較宜。當板狀部具有曲面形狀時，凸條係長度方向中的高度可變動。特別地，當板狀部為圓頂形狀時，從側面方向觀看凸條時，可具有在長度方向中延伸的新月形狀。當板狀部具有曲面形狀時，亦較佳為凸條複數條存在。更佳為不互相交叉的3條以上之凸條存在，尤佳為不互相交叉的3條以上之凸條及與彼等凸條交叉之凸條存在的曲面形狀之板狀部。
於本發明之纖維強化塑膠成形品中，在纖維強化塑膠構造部之板狀部的不具有凸條側之表面上，亦可積層金屬。相較於僅因金屬得到充分剛性高的成形品之情況，以纖維強化塑膠補強者雖然具有同等的剛性，但是可得到更輕的成形品，若為包含凸條的纖維強化塑膠構造部，則可一邊更輕量化纖維強化塑膠成形品，一邊得到同等的剛性。
於金屬與纖維強化塑膠構造部之間，亦可使用接著劑使其接著，也可藉由板狀部之樹脂而使其接著。
金屬之材質係沒有特別的限定，但可舉出鋁、鐵、銅、鈦、鉬、鉻、鎂、鎳、鋅、鉛、錫等之純金屬。又，可為碳鋼、高張力鋼、鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼、杜克勒(Ducol)鋼、哈德菲(Hadfield)鋼、超強韌鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅合金(例如黃銅、錫青銅、 鋁青銅等)、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、鋅合金、鉛合金、錫合金等之至少2種以上的金屬之合金、或非金屬與金屬之合金。
其中，於輕量性或強度、耐衝擊性優異之點上，較宜使用鈦、不銹鋼、杜拉鋁或鈦合金。可按照用途而適宜地摻合碳，也可表面或成分中的一部分被氧化。
就金屬之厚度而言係沒有特別的限定，但若過厚則纖維強化塑膠成形品會變重，故較佳為比3mm更小。另一方面，若過薄則容易被磨耗等而削掉，故較佳為0.5mm以上。
本發明中的纖維強化塑膠構造部例如係可藉由在包含經單向配向的纖維與樹脂之連續纖維預浸漬物中插入複數的切口，使纖維成為不連續(平均長度為10~50mm)而形成切口預浸漬物，將積層有複數片的該切口預浸漬物之切口預浸漬物積層體予以加壓成形而得。切口預浸漬物中的不連續纖維之平均長度較佳為10~50mm。更佳的不連續纖維之平均長度為10~30mm。藉由將切口預浸漬物予以加壓成形，於成形時切口預浸漬物中的不連續纖維係流動，可得到雖然具有凸條但是纖維的體積含有率(Vf)大之纖維強化塑膠構造部。
由於將切口預浸漬物中的Vf設為50~70%，可使所得之纖維強化塑膠構造部的Vf亦成為50~70%。切口預浸漬物之厚度較佳為0.05mm~1.5mm。若過薄則成形時的積層數變多而費工夫。若過厚則選擇積層構成的自由度變小。
於切口預浸漬物中，切口與纖維所成的角度之絕對值較佳為2~60°。從基材的流動性與力學特性之兼備的觀點來看，切口與纖維所成的角度之絕對值更佳為2~45°。特別地，由於切口與纖維所成的角度之絕對值為25°以下，力學特性之提高顯著，從如此的觀點來看，切口與纖維所成的角度之絕對值尤佳為2~25°。
切口預浸漬物的積層構成係為了抑制成形時的熱變形，較佳為對稱積層。成為與金屬接合的纖維強化塑膠成形品時，可未必是對稱積層，尤其在與金屬同時地加熱，同時進行硬化與接著時，較佳為以金屬的熱收縮與FRP的熱收縮成為同等之方式，調節積層構成。
又，板狀部之不具有凸條側的表面係不一定要使用切口預浸漬物，亦可為未導入切口的連續纖維預浸漬物。
於加壓成形時，必須使用具有形成凸條用的凹部之模具(凸條模)。以下，陳述切口預浸漬物中所包含的纖維為單向地配向之情況。此時，將接觸凸條模的切口預浸漬物(以下，稱為表層的切口預浸漬物)中所包含之經單向配向的纖維之配向方向與前述凸條模的凹部中之長度方向所成的銳角側之角度的絕對值當作θs時，θs較佳為比60°更小。由於使上述θs小於60°，纖維變得容易流入凸條模之凹部，可在樹脂中突出填充有纖維的高凸條。該角度更佳為45°以下。即使於使用複數的凹部存在之凸條模時，也因各凹部之長度方向與表層的切口預浸漬物所包含之經單向配向的纖維之配向方向比 60°更小，纖維變得容易流入至各凹部。特別地，於凸條模具有細寬度的凹部時，有顯著的效果。本態樣係可較宜應用於與凹部之長度方向呈直角方向的寬度為0.1~1.5mm之情況。
凸條從板狀部突出時，為了將板狀部的纖維引進至凸條的內部，若其量過多，則有板狀部的力學特性變低之情況。突出的凸條愈細，愈可保持著板狀部的力學特性，使凸條突出。作為構造體，一般而言相較於配置一個粗寬度的凸條者，配置複數之細寬度的凸條者係表面積變大，亦可期待散熱效果。
再者，於本發明中，將切口預浸漬物之經單向配向的纖維之配向方向與凸條模的凹部中之長度方向所成的銳角側之角度的絕對值當作θ時，θ為45°以下的切口預浸漬物較佳與θ大於45°的切口預浸漬物同數或比其更多地含有，更多地含有之態樣為更佳。尤佳的態樣為在切口預浸漬物積層體中的表層之切口預浸漬物，即在加壓成形時，在最接近凸條模的位置所配置的切口預浸漬物之θ係比60°更小，且在複數片的切口預浸漬物中，θ為45°以下之預浸漬物係與θ大於45°的預浸漬物同數或比其更多地含有之態樣，更多地含有之態樣為更佳。不僅表層之切口預浸漬物，內側的切口預浸漬物中的纖維之方向亦成為與凹部中的長度方向接近之角度，而變得容易使凸條從板狀部突出，藉此而凸條的力學特性亦升高。另一方面，為了對於凸條維持接近直角的方向之力學特性，切口預浸漬物積層體中的至少1層之切 口預浸漬物係θ較佳為大於45°。作為另一態樣，為當在基材積層體中至少1層係θ為60°以上之切口預浸漬物時，θ為30°以下的切口預浸漬物係與θ大於60°的切口預浸漬物同數或比其更多地含有之態樣。於本態樣中，亦與上述同樣，可較宜應用於與凹部之長度方向呈直角方向的寬度為0.1~1.5mm之情況。
藉由將金屬與纖維強化塑膠構造部一體化成的纖維強化塑膠成形品予以加壓成形而獲得時，金屬板之彈性模數(GPa)與厚度(mm)之積較佳為50~300。若此積小於50，則在加壓切口預浸漬物積層體，使凸條突出時，有因凸條突出所造成的縮孔之痕跡殘留的情況。金屬表面之縮孔係推測原因為當凸條周邊的纖維流入至凸條時，會將壓縮荷重給予金屬，金屬之厚度愈厚，彈性模數愈高，在金屬表面上，因凸條突出所造成的縮孔之痕跡變得愈不易殘留，金屬表面之外觀提升。此積比300更大時，考量到有重量變過重之情況，或僅以金屬而具有充分的剛性之情況，難以得到纖維強化塑膠之凸條所造成的補強效果。金屬板之彈性模數(GPa)與厚度(mm)之積更佳為60~250。再者，金屬板之彈性模數(GPa)與厚度(mm)之積亦可為組合有上述之上限與下限的任一者之範圍。
[實施例]
以下，藉由實施例更具體地說明本發明，惟本發明並非受實施例記載之發明所限定。
<預浸漬物之製造>
使用以下所示的原料，製造環氧樹脂組成物及預浸漬物。
首先，將環氧樹脂(日本環氧樹脂(股)製「Epikote(註冊商標)」828：40質量份、日本環氧樹脂(股)製「Epikote(註冊商標)」1007FS：25質量份、DIC(股)製「EPICLON(註冊商標)」N740：35質量份)與熱塑性樹脂聚乙烯甲醛(CHISSO(股)製「Vinylec(註冊商標)」K：3重量份)投入燒杯內，升溫到80℃為止，進行30分鐘的加熱混煉。
將樹脂溫度降溫到30℃為止後，添加3.5質量份的硬化劑二氰二胺(日本環氧樹脂(股)製DICY7)與2重量份的硬化促進劑2,4-甲苯雙(二甲基脲)(PT Aijian(股)製「Omicure(商標註冊)」24)，攪拌10分鐘，而從捏合機中取出，得到環氧樹脂組成物。
使用逆輥塗布機，將所得之環氧樹脂組成物塗布於經聚矽氧塗布的厚度100μm之離型紙上，製作20g/m2的樹脂薄膜。
接著，從單向排列成片狀的碳纖維(東麗(股)製「Torayca(註冊商標)」T700S-12K-50C)之兩面重疊樹脂薄膜，藉由加熱加壓而使其含浸樹脂組成物，作成碳纖維單位面積重量100g/m2、碳纖維的重量分率為67%、碳纖維的體積含有率Vf為57.5%之碳纖維單向地配向之預浸漬物。
<切口預浸漬物之製造>
藉由在指定位置推壓配置有複數的刀刃之旋轉刀，而於預浸漬物中插入將預浸漬物貫穿之切口。旋轉刀係交替配置有與旋轉方向的前進方向所成的角度為+14°之刀刃與-14°之刀刃，使用以預浸漬物的全部纖維被刀刃切斷成15mm之方式而配置者。
<加壓成形>
將切口預浸漬物裁切成尺寸為100mm×100mm，使用具有形成凸條用的凹部之上模與不具有凹部之下模，將以各實施例記載之構成所積層的切口預浸漬物積層體予以加壓成形。實施例3~6、10~12、比較例4、6各自為形成複數的凸條之例，但於此等之例中，使用以形成凸條用的複數之溝及形成溝之壁面各自成平行之方式所設置的上模。得到圖2或圖3所示形狀的纖維強化塑膠，將線A當作橫向，將線B當作縱向。上模與下模係預先加熱到150℃，於上模與下模之間夾住積層基材，在該狀態下保持20秒後，對於板狀部以給予6MPa之壓力的方式加壓。一邊加壓，一邊保持20分鐘後，進行脫模。於任一實施例中，皆可得到由100mm×100mm的板狀部與在樹脂中填充有碳纖維之凸條所成的纖維強化塑膠構造部。於成形時樹脂流出，料想Vf係比所製造的預浸漬物更高。於纖維強化塑膠構造部不進行裝飾或金屬等之接著時，纖維強化塑膠構造部係成為纖維強化塑膠成形品。另一方面，於接著有金屬之實施例8、9中，金屬接 著於纖維強化塑膠構造部者係成為纖維強化塑膠成形品。
<Vf之測定>
板狀部之Vf係藉由影像處理將纖維與樹脂予以2值化而分離，作為板狀部中所包含的纖維之面積率求出。
作為進行影像處理之對象，將非凸條的正下方之板狀部切出3處，藉由進行拋光研磨，於觀察剖面時，處理成纖維與樹脂之邊界可明確地分離之程度的表面粗糙度，使用採用數位顯微鏡所拍攝的數位影像。
將藉由影像處理所得之3處的Vf之平均值當作板狀部的Vf之代表值。
<板狀部之平均厚度測定>
任意地選擇板狀部之非凸條正下方的4點，以點接觸式的測微計進行測定，將平均值當作板狀部之厚度。於實施例8、9、10中，金屬層之厚度係如型錄值，係從包含金屬層的板狀部之厚度減去金屬層之厚度的值。
再者，本實施例中使用點接觸式的測微計，但板狀部之厚度的測定方法係可使用任意的測定裝置進行測定。例如，於僅以纖維強化塑膠構造部所構成的纖維強化塑膠成形品，或從纖維強化塑膠成形品可分離纖維強化塑膠構造部之情況中，當板狀部為平面時，亦可利用游標卡尺。當板狀部為曲面時，較宜使用以點接觸式的測微計進行測定之方法。從纖維強化塑膠成形品無法分 離纖維強化塑膠構造部之情況，係如上述，金屬等的成形品之其它構成要素的厚度為如型錄值，可將其扣除，但是當型錄值不明時，可切出包含纖維強化塑膠構造部的纖維強化塑膠成形品之剖面，使用以顯微鏡測定之方法。
<凸條之高度測定>
凸條之高度係從所得之纖維強化塑膠構造體之包含板狀部的凸條之高度，減去板狀部的平均厚度而算出，於實施例1~6、10、12中，由於各自豎立的凸條之高度為大致相同，故包含板狀部的凸條之高度係在本實施例中將凸條全部視為相同的高度，藉由以游標卡尺夾入包含板狀部的任一凸條，進行測定，採用測定值。實施例7~9、11由於板上部具有曲面形狀或凸條的形狀複雜，凸條的高度係隨著測定地方而變化，故依照上述記載之方法，採用10處計測的數值之最大值。
<存在於板狀部與凸條之兩者的纖維在凸條內達到的高度之測定>
與板狀部的Vf之測定時同樣地研磨，藉由影像處理，觀察凸條內。於本實施例之纖維強化塑膠構造部中，從板狀部連續的層亦進入凸條內，代替使用該層達到的高度作為存在於板狀部與凸條之兩者的纖維在凸條內達到的高度L。L係如上述，為從板狀部之不具有凸條側之表面起到從板狀部所連續的層在凸條內達到的最大高度 為止之距離與板狀部之平均厚度之差。
<凸條的平均寬度之測定>
凸條的平均寬度係在凸條之長度方向中，於從凸條的邊端起10~30%、30~70%、70~90%的3處中各自任意地選出的剖面中，從凸條的高度方向30~70%之範圍選擇各1個處的地方之寬度的平均值。各處的凸條之寬度係使用游標卡尺測定。
再者，於本實施例中使用游標卡尺，但可利用使用任意的測定裝置之方法，例如可藉由測微計或取得剖面的照片等，藉由影像解析而測定。
<相鄰的凸條彼此之距離的測定>
將纖維強化塑膠構造部中的未交叉之凸條當作對象，使用量尺測定相鄰的凸條彼此之距離，當作從凸條之前端到另一凸條之前端的距離。於本實施例3~6、實施例10~12中，將相鄰的凸條視為平行，測定經任意選出的3處，將其平均值當作代表值。
<彎曲剛性EI、每單位重量的彎曲剛性之計算>
作為纖維強化塑膠成形品的力學特性，取得彎曲剛性EI與每單位重量的彎曲剛性。由於從成形品求出為困難，故於板狀部為平面且相同的剖面形狀連續的情況中，算出剖面二次矩I，將與彈性模數E之積當作EI。
於本實施例及比較例中，比較例4除外，作 為E之大約值，纖維強化塑膠構造部、鋁部皆為70GPa。纖維強化塑膠成形品之剖面二次矩係使用板狀部之厚度f(mm)、凸條之平均寬度t(mm)、剖面中的凸條之條數N、凸條之高度h(mm)，以式1計算。每單位重量的彎曲剛性係將EI除以纖維強化塑膠成形品的重量而算出。
計算EI的剖面係圖2之線A、B所示的剖面，將各剖面的EI當作EIA、EIB，將各剖面之每單位面積的EI當作每單位面積的EIA、每單位面積的EIB。用於計算的f、t、N、h係使用上述觀察所得之代表值。惟，當凸條不存在時，作為N=1、t=0計算。
(實施例1)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]，上模為具有1個凹部的模具，下模係板狀部成為平面之模具，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(a)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
於與A之剖面呈直角的方向中不易彎曲，可確認具有高的剛性。
(實施例2)
除了將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]以外，與實施例1同樣地以加壓成形得到具有表1、2及圖2(a)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
得到比實施例1所得之纖維強化塑膠成形品較輕量的成形品。雖然EIA降低，但是於與A之剖面呈直角的方向中不易變曲，具有充分的剛性。
(實施例3)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(b)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
上模為具有2個凹部的模具，凹部係各自平行地設置。下模係板狀部成為平面之模具。
與實施例2所得之纖維強化塑膠成形品大致相同的重量，但可確認EIA升高。
(實施例4)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(c)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
於加壓成形中，上模係使用具有3個凹部，且凹部各自平行地設置之模具，下模係使用板狀部成為平面之模具。
相較於實施例3所得之纖維強化塑膠成形品，可確認EIA係更進一步地升高。
(實施例5)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°]，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(c)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
於加壓成形中，上模係使用具有3個凹部，且凹部各自平行地設置之模具，下模係使用板狀部成為平面之模具。
雖然為不滿10g的重量，但是可確認具有即使以手按壓凸條的正下方也不凹陷之剛性。惟，非凸條的正下方之板狀部係有若干凹陷的觸感。
(實施例6)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°]，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(d)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
於加壓成形中，上模係使用具有7個凹部，且凹部各自平行地設置之模具，下模係使用板狀部成為 平面之模具。
雖然輕量，但每單位重量的EIA係比實施例1、2、3、5所得之纖維強化塑膠成形品更高。雖然於實施例5所得之纖維強化塑膠成形品中，非凸條的正下方之板狀部係若干凹陷，但是於本實施例6所得之纖維強化塑膠成形品中，即使按壓板狀部的任何處也不凹陷。惟，沿著線B方向係容易彎曲。
(實施例7)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°]，以加壓成形得到具有表1、2及圖2(e)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
於加壓成形中，上模係使用具有2個直角地交叉的凹部之模具，下模係使用板狀部成為平面之模具。
可確認A之剖面和B之剖面皆具有高的EI，實際上以手按押而無彎曲。
(實施例8)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°]，於加壓成形時使厚度0.5mm的鋁板，在切口預浸漬物硬化之同時，接著到板狀部之不具凸條側的表面，鋁板係接著於由纖維與樹脂所成之纖維強化塑膠構造部，得到具有表1、2及圖2(e)所示的形狀、特性之纖維強化塑膠成 形品。
上模、下模係使用與實施例7相同者。
雖然若干翹曲，但鋁係被纖維強化塑膠構造部所補強，為具有高剛性的成形品。
(實施例9)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°]，於加壓成形時使厚度0.5mm的鋁板，在切口預浸漬物硬化之同時，接著到板狀部之不具有凸條側的表面，鋁板係接著於由纖維與樹脂所成之纖維強化塑膠構造部，得到具有表1、2所示的形狀、特性之纖維強化塑膠成形品。
上模為具有2個直角地交叉的凹部之模具，下模係板狀部成為曲面之模具。以預浸漬物積層體之縱向沿著設於模具之一方的溝之方式配置，所得之纖維強化塑膠成形品為如圖3(a)之形狀。
看不到翹曲等，與實施例8所得之纖維強化塑膠成形品同樣地具有鋁之外觀，即使按壓也不凹陷，為具有高剛性的成形品。
(實施例10)
除了於加壓成形時使厚度0.5mm的鋁板，在切口預浸漬物硬化之同時，接著到板狀部之不具凸條側的表面以外，與實施例6同樣地，得到纖維強化塑膠成形品。
與實施例8所得之纖維強化塑膠成形品同樣 地，具有鋁之外觀。板狀部為相同的尺寸，無凸條的0.5mm之鋁的彎曲剛性之上述計算結果為292，若考慮此，則可知藉由僅7g的纖維強化塑膠構造部，可得到顯著的剛性上升效果。
(實施例11)
將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成積層為[0°/90°/0°/90°/0°]，以加壓成形得到具有表1、2所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
上模為具有7個凹部的模具，且凹部係各自平行地設置。下模係板狀部成為曲面的模具。以預浸漬物積層體之縱向沿著設於模具的凹部延伸方向之方式，配置預浸漬物積層體，所得之纖維強化塑膠成形品為如圖3(b)之形狀。
於實施例6所得之纖維強化塑膠成形品中，雖然沿著線B容易彎曲，但是藉由形成曲面，成為與凸條呈直角方向亦不易彎曲之纖維強化塑膠成形品。
(實施例12)
除了將縱向當作0°，將切口預浸漬物積層體之積層構成作成[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°]以外，與實施例6同樣地加壓成形，得到具有表1所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形品。
相較於實施例6所得之纖維強化塑膠成形品，雖然改善EAI或EIB，但重量稍微增加。
(比較例1)
重疊2片的與實施例2所用之切口預浸漬物積層體相同的切口預浸漬物積層體，作為實施例2之2倍厚度的切口預浸漬物積層體，以與實施例2所得之纖維強化塑膠成形品同樣的形狀，得到板狀部厚的纖維強化塑膠成形品。
得到非常硬的成形品，相較於實施例2所得之纖維強化塑膠成形品，雖然EIA成為約2.5倍，但是於實施例2所得之纖維強化塑膠成形品中，得到以手指按壓時不容易彎曲之程度的剛性。然而，儘管與金屬不一體化，卻留下重量增加顯著之印象。
(比較例2)
將與實施例5所用之切口預浸漬物積層體相同的切口預浸漬物積層體，使用不具有凹部的上模，得到無凸條的纖維強化塑膠成形品。
為以手容易地彎曲之纖維強化塑膠成形品。
(比較例3)
計算具有與實施例6所得之纖維強化塑膠成形品相同形狀的鋁之EI。將鋁之密度當作2.7g/cm3時，每單位重量的EIA係比實施例6所得之纖維強化塑膠成形品更 低。
(比較例4)
除了將Vf設為35%以外，計算具有與實施例5所得之纖維強化塑膠成形品相同形狀的纖維強化塑膠構造部之EI。彈性模數E=40GPa。纖維強化塑膠構造部之密度係在Vf=59%的實施例5所得之纖維強化塑膠成形品中為1.6g/cm3，但在Vf=35%的本例之纖維強化塑膠成形品中為1.4g/cm3。
作為計算結果，EIA係比實施例5所得之纖維強化塑膠成形品較差，每單位重量的EIA亦較差。
(比較例5)
除了以預浸漬物積層體之縱向與設於模具的凹部延伸方向以90°相交之方式配置模具以外，使用與實施例4所用者相同的模具，進行加壓成形。可是，纖維與樹脂未填充於凸條內，無法得到與實施例4所得之纖維強化塑膠成形品同樣的形狀。
(比較例6)
除了重疊3片的與實施例2所用之切口預浸漬物積層體相同的積層體，使用實施例2所用之切口預浸漬物積層體的3倍厚度之切口預浸漬物積層體以外，與實施例12同樣地加壓成形，得到具有表1所示的形狀、特性之纖維強化塑膠構造部，將此當作纖維強化塑膠成形 品。相較於實施例6所得之纖維強化塑膠成形品，可得到凸條的平均寬度或凸條的高度大之成形品。
雖然得到EIA非常高的成形品，但是相較於實施例12所得之纖維強化塑膠成形品，板狀部之厚度不太變化，卻得到重量重之成形品。

Claims (8)

  1. 一種纖維強化塑膠成形品，其係包含纖維強化塑膠構造部的纖維強化塑膠成形品，該纖維強化塑膠構造部包含纖維與樹脂，具有板狀部與從板狀部之表面突出的凸條(rib)，該板狀部係纖維的體積含有率為50~70%，平均厚度為1.5mm以下，該凸條係平均寬度為0.1~1.5mm，包含存在於該板狀部與該凸條中，凸條內的凸條之高度方向中的高度達到0.5mm以上之纖維。
  2. 如請求項1之纖維強化塑膠成形品，其中該樹脂為熱硬化性樹脂。
  3. 如請求項1或2之纖維強化塑膠成形品，其中該凸條係複數條存在。
  4. 如請求項3之纖維強化塑膠成形品，其中該凸條係3條以上存在，其中至少3條係不互相交叉。
  5. 如請求項4之纖維強化塑膠成形品，其中該複數條的凸條中至少2條的相鄰凸條之間的距離為15mm以下。
  6. 如請求項3至5中任一項之纖維強化塑膠成形品，其中該複數條的凸條中至少2條的凸條係交叉。
  7. 如請求項1至6中任一項之纖維強化塑膠成形品，其中該板狀部具有曲面形狀。
  8. 如請求項1至7中任一項之纖維強化塑膠成形品，其中於該板狀部之不具有凸條的表面上積層有金屬。
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