(57)【要約】【課題】繊維強化プラスチックの生産性及び軽量化の利点を損なうことなく、平滑な表面となる繊維強化プラスチックを提供する。【解決手段】連続した強化繊維束１１とマトリクス樹脂とを含む平板状の繊維強化プラスチック１０Ａを、成形型により波型状又は凹凸状に成形する方法であって、平板状の繊維強化プラスチック１０Ａの両面に、熱可塑性樹脂からなるシート材１３を配置し、熱可塑性樹脂を加熱して軟化させる軟化工程と、軟化した熱可塑性樹脂からなるシート材１３に成形型を接触させながら、平板状の繊維強化プラスチック１０Ｂを加圧して、平板状の繊維強化プラスチック１０Ｂを波型状又は凹凸状に成形する成形工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した強化繊維とマトリクス樹脂とを含む平板状の繊維強化プラスチックを、成形型により波型状又は凹凸状に成形する方法であって、
前記平板状の繊維強化プラスチックの両面に、熱可塑性樹脂からなるシート材を配置し、前記熱可塑性樹脂を加熱して軟化させる軟化工程と、
前記軟化した熱可塑性樹脂からなるシート材に成形型を接触させながら、前記平板状の繊維強化プラスチックを加圧して、前記平板状の繊維強化プラスチックを波型状又は凹凸状に成形する成形工程と、を含むことを特徴とする繊維強化プラスチックの成形方法。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂は、前記マトリクス樹脂よりも軟化する温度が低いことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチックの成形方法。
【請求項３】
前記マトリクス樹脂は、前記熱可塑性樹脂と同種の樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチックの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続した強化繊維とマトリクス樹脂とを含む平板状の繊維強化プラスチックを、成形型により成形する方法であって、特に、平板状の繊維強化プラスチックを成形型により波形状又は凹凸状に成形するに好適な平板状の繊維強化プラスチックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強化繊維とマトリクス樹脂（樹脂）からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、金属材に比べて軽量であり、かつ、強化繊維を含まないプラスチックに比べて機械的強度及び弾性率が高い。このような特性を有することから、繊維強化プラスチックは、航空機、自動車、鉄道車両、船舶などの多くの分野で利用されている。
【０００３】
このような繊維強化プラスチックは、平板状の繊維強化プラスチックを、成形型を用いて、プレス加工することにより、所望の形状に成形される。例えば、このようなプレス成形による成形方法の１つとして、ガラス繊維強化熱可塑性プラスチックシートのプレス成形品の製造法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この成形方法は、ガラス繊維強化プラスチックシートの表面に、ポリオレフィン系フィルムを載置し、上型及び下型のプレスにより、所望の形状に成形するものである。
【０００４】
このような成形方法によれば、ポリオレフィン系フィルムを載置することにより、ガラス繊維強化プラスチックシートに含まれる強化繊維が、成形品の表面に露出することなく、ガラス繊維強化プラスチックシートを所望の形状に成形することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平５−７４４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、平板状の繊維強化プラスチックは、成形型を用いて、波型状、または、凹凸の形状に、プレス成形して、自動車上構造部材、バントラック外板やバントラックドアの補強コア、熱交換器フィン、エスカレーター床板等の軽量構造材、構造材補強材等に利用されることが多い。
【０００７】
しかしながら、このような形状に成形しようとして、強化繊維に連続した強化繊維を用いた場合には、金属の成形とは異なり、強化繊維そのものが伸びることができないので、所望の形状に成形することが難しい。具体的には、山部と谷部が連続して形成された上型と、該上型に対応した形状の谷部と山部が連続して形成された下型と、の間に、平板状の繊維強化プラスチックを挟み込んで、上型を下型に向かって加圧成形をしようとした場合、平板状の繊維強化プラスチックが、下型の山部と山部との間、及び上型の山部と山部との間で突っ張ってしまい、上型を押し切ることができない場合があった。
【０００８】
そこで、上型を下型まで、押し切るように加圧成形しようとした場合には、上型（又は下型）と繊維強化プラスチックとの間に、せん断力が発生してしまい、繊維強化プラスチックの連続した強化繊維が切断されて、繊維強化プラスチックの強度が低下してしまうおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、繊維強化プラスチックの連続した強化繊維を切断することなく、平板状の繊維強化プラスチックを、所望の形状の波型状又は凹凸状に、成形することができる繊維強化プラスチックの成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、上述したように、型を押し切ることができないのは、繊維強化プラスチックと、成形型との間に発生する摩擦に起因すると考え、この摩擦を低減する方法として、成形時の表面に、摩擦を低減することができる材料を載置しながら、成形すれば、強化繊維が切断されることなく、所望の波型又は凸型に成形（賦形）することができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明にかかる繊維強化プラスチックの成形方法は、連続した強化繊維とマトリクス樹脂とを含む平板状の繊維強化プラスチックを、成形型により波型状又は凹凸状に成形する方法であって、前記平板状の繊維強化プラスチックの両面に、熱可塑性樹脂からなるシート材を配置し、前記熱可塑性樹脂を加熱して軟化させる軟化工程と、前記軟化した熱可塑性樹脂からなるシート材に成形型を接触させながら、前記平板状の繊維強化プラスチックを加圧して、前記平板状の繊維強化プラスチックを波型状又は凹凸状に成形する成形工程と、を含む特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、この軟化した熱可塑性樹脂が、成形型からの加圧力により流動し、成形型と繊維強化プラスチックとの摩擦力（せん断力）を低減させることができるので、繊維強化プラスチックが成形型の形状に追従し、強化繊維が切断されることなく、これまでに比べてより短い時間で、所望の形状の波型状又は凹凸状に成形することができる。
【００１３】
本発明でいう「熱可塑性樹脂を加熱して軟化させる」とは、熱可塑性樹脂をガラス転移点以上に加熱して、熱可塑性樹脂を軟化させる、または、熱可塑性樹脂の融点以上に加熱して、熱可塑性樹脂を軟化させることをいい、熱可塑性樹脂が加熱により軟化し、成形時に成形型の加圧力により熱可塑性樹脂が流動可能であれば、この軟化状態は、特に限定されるものではない。
【００１４】
また、本発明でいう波型状とは、曲線状の山部と谷部が交互に連続した形状のことをいい、凹凸部とは、矩形状、台形状などの直線を組み合わせた形状、または直線と曲線を組み合わせた形状の山部と谷部とが交互に連続した形状をいう。
【００１５】
また、本発明に係る繊維強化プラスチックの成型方法は、前記マトリクス樹脂よりも軟化する温度が低いことがより好ましい。本発明によれば、加熱時にマトリクス樹脂が軟化する前に、繊維強化プラスチックの熱可塑性樹脂を先に軟化させることができる。これにより、成型時に繊維強化プラスチック内のマトリクス樹脂を保持したまま、波型状または凹凸状に成型することができる。また、マトリクス樹脂を軟化すべく繊維強化プラスチックを予熱後に、繊維強化プラスチックの表面にシート材を配置すれば、予熱された繊維強化プラスチックの熱により、シート材を軟化させることができる。
【００１６】
ここで、本発明にいう「軟化する温度が低い」とは、上述したように、加熱により、２つの樹脂を加熱した場合に、軟化が開始する温度がより低いことをいい、たとえば、相対的、にガラス転移点（ガラス転移温度）が低い、又は、融点が低いことをいう。
【００１７】
このような、シート材に用いる熱可塑性樹脂としては、ＰＭＭＡ樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＳＡＮ樹脂、ＰＣ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＳ樹脂などの非晶性の熱可塑性樹脂や、ＬＤＰＥ樹脂、ＬＬＤＰＥ樹脂、ＨＤＰＥ樹脂、ＰＰ樹脂、ＰＶＤＣ樹脂、ＰＭＰ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＫ樹脂などの結晶性の熱可塑性樹脂を挙げることができる。そして、熱可塑性樹脂として非晶性樹脂を用いる場合には、ガラス転移点以上の温度に加熱し、結晶性樹脂を用いる場合には、融点以上に加熱することにより、熱可塑性樹脂を、好適に軟化させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る繊維強化プラスチックに係る強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができ、強化繊維織物などの強化繊維束を構成する強化繊維及びバネ性を有する形状に屈曲した強化繊維は、同じ種類の繊維でなくてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る繊維強化プラスチックに含まれるマトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂いずれの樹脂であってもよく、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、メラミン樹脂、尿素樹脂、シリコーン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアネート樹脂、又はポリイミド樹脂等の樹脂を挙げられることができ、この場合成型時には、未硬化の状態の熱硬化性樹脂であることが好ましい。
【００２０】
また、マトリクス樹脂の熱可塑性樹脂としては、シート材の熱可塑性樹脂として例示した熱可塑性樹脂を挙げることができ、より好ましくは、マトリクス樹脂は、シート材の熱可塑性樹脂と同種の樹脂である。ここで、同種の樹脂とは、熱可塑性樹脂であり、上に示した種類の樹脂のうち、マトリクス樹脂と同じ種類の樹脂のことをいう。例えば、シート材の熱硬化性樹脂が、ＰＰ樹脂である場合には、マトリクス樹脂も同様に、同じ種類のＰＰ樹脂を用いることをいう。このように、同種の樹脂を用いることにより、成形時のおけるシート材の熱可塑性樹脂と、マトリクス樹脂との馴染み性を向上させ、これらの接合性を高めることができる。
【００２１】
また、強化繊維としては、連続した繊維（いわゆる短繊維ではない繊維）を束ねた強化繊維束が積層された強化繊維束が好ましく、このような強化繊維束を有する繊維強化プラスチックは、波型状又は凹凸状に成形しがたいので、このような製造方法で製造することが特に好適である。
【００２２】
例えば、強化繊維束をランダムに積層したもの、繊維を束ねた強化繊維束を織物状にした強化繊維織物、及び強化繊維織物を積層したものなどを挙げることができ、繊維強化プラスチック内に強化繊維束が均一に分散して配置されていれば特に限定されるものではない。
【００２３】
繊維強化プラスチックを構成する強化繊維束が強化繊維織物である場合には、その織り方としては、平織、綾織、朱子織などの織組織であってもよく、強化繊維を一方向に引き揃えた複数層を隣接する層の繊維軸が３０°〜９０°程度ずれるように交差積層させた、いわゆる多軸の繊維構造であってもよい。
【００２４】
そして、「連続した強化繊維とマトリクス樹脂とを含む平板状の繊維強化プラスチック」としては、例えば、強化繊維に、マトリクス樹脂が含浸されているプリプレグであってもよく、強化繊維束からなる強化繊維織物と、シート状のマトリクス樹脂とを、順次積層させたものであってもよく、後者の場合には、成型時に、繊維強化プラスチックが加圧される際に、強化繊維織物に、マトリクス樹脂を含浸させるのがよい。
【００２５】
なお、本発明では、シート材に、熱可塑性樹脂を用いたが、の繊維強化プラスチックの表面に潤滑性を有する材料をすることができるのであれば、例えば、シート材に、未硬化の熱硬化性樹脂を用いてもよく、この場合には、予めシート材を軟化させるために加熱することなく、成形型内で繊維強化プラスチックを成型し、その後、熱硬化性樹脂を硬化させることにより、波型状又は凹凸状に繊維強化プラスチックを成型させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、平板状の繊維強化プラスチックを、連続した強化繊維を切断することなく、所望の形状の波型状又は凹凸状に、容易に成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る繊維強化プラスチックの成形工程を説明するための成形装置の模式図。
【図２】図１に示す繊維強化プラスチックの各状態を説明する模式図であり、（ａ）は、（熱可塑性樹脂シート材を配置する前の）平板状の繊維強化プラスチックの模式図、（ｂ）は、熱可塑性樹脂シート材を配置後の繊維強化プラスチックの模式図であり、（ｃ）は、成形時のおける繊維強化プラスチックの状態を説明するための模式図であり、（ｄ）は、（ｃ）の上型と接触した繊維強化プラスチックの部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る繊維強化プラスチックの成形方法を本実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る繊維強化プラスチックの成形工程を説明するための成形装置の模式図であり、図２は、図１に示す繊維強化プラスチックの各状態を説明する模式図であり、（ａ）は、（熱可塑性樹脂シート材を配置する前の）平板状の繊維強化プラスチックの模式図、（ｂ）は、熱可塑性樹脂シート材を配置後の繊維強化プラスチックの模式図であり、（ｃ）は、成形時のおける繊維強化プラスチックの状態を説明するための模式図であり、（ｄ）は、（ｃ）の上型と接触した繊維強化プラスチックの部分拡大図である。
【００２９】
まず、図１及び図２（ａ）に示すように、連続した繊維を束状にした強化繊維束１１を一方向（紙面左右方向）に引き揃えた層１１ａと、この方向と交差する方向に、連続した繊維を束状にした強化繊維束を一方向（紙面垂直方向）に引き揃えた層１１ｂと、が積層された繊維強化プラスチック１０Ａを準備する。また、この繊維強化プラスチックの強化繊維束１１及びこれらの１１ａ、１１ｂの間には、マトリクス樹脂として熱可塑性樹脂が含浸されている。
【００３０】
このような繊維強化プラスチック１０Ａを、遠赤外線ヒータ２０で、繊維強化プラスチック１０Ａを、マトリクス樹脂のガラス転移点（又は融点）まで予熱する。これにより、繊維強化プラスチック１０Ａのマトリクス樹脂が軟化し、後工程で、波型状に成形することができる。
【００３１】
次に、図１及び図２（ｂ）に示すように、平板状の繊維強化プラスチック１０Ａの両面に、厚さが、５０〜１００μｍの熱可塑性樹脂からなるシート材１３を配置し、これらを張り合わせる。ここで、シート材１３の熱可塑性樹脂は、繊維強化プラスチック１０Ａのマトリクス樹脂よりも、軟化する温度が低い熱可塑性樹脂である。
【００３２】
このような熱可塑性樹脂としては、例えば、以下の表１に示す樹脂を示すことができる。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
ここで、例えば、結晶性樹脂として、マトリクス樹脂にＰＰ樹脂を用いた場合には、表１に示すように、ＰＰ樹脂の融点は、１６５℃であるので、シート材１３に用いる熱可塑性樹脂は、表１に示すＰＰ樹脂も融点の低い同種のＰＰ樹脂、または、表１に示すような、１６５℃のＰＰ樹脂より融点が低いＬＤＰＥ樹脂、ＬＬＤＰＥ樹脂を用いることが好ましい。また、非晶性樹脂を用いた場合には、表１に示すＰＰ樹脂よりもガラス転移点が低い、ＰＭＭＡ樹脂、ＡＳ樹脂、又はＳＡＮ樹脂を用いることが好ましい。
【００３５】
このように、シート材１３の熱可塑性樹脂は、繊維強化プラスチック１０Ａのマトリクス樹脂よりも、軟化する温度が低いので、予熱された繊維強化プラスチック１０Ａの熱により、シート材を軟化させることができる。
【００３６】
このようにして、熱可塑性樹脂が軟化した繊維強化プラスチック１０Ｂを、成形型３０内に配置する。図１に示すように、成形型３０は、波型状の表面形状を有した可動式の上型３１と、上型３１の波型状の表面に噛み合うように形成された波型状の表面を有した固定式の下型３２と、を有している。また、上型３１及び下型３２の表面を加熱する加熱装置（図示せず）が、設けられており、この加熱装置により、成形型内の温度を所望の温度に加熱調整することができる。
【００３７】
そして、成形型３０内（下型３２）に配置された繊維強化プラスチック１０Ｂを、上型３１を下降させ、上型３１と下型３２の型表面に平板状の繊維強化プラスチック１０Ｂを接触させながら、上型３１と下型３２とで繊維強化プラスチック１０Ｂを加圧して、平板状の繊維強化プラスチック１０Ｂを波型状の繊維強化プラスチック１０Ｃにプレス成形する。
【００３８】
このとき、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、繊維強化プラスチック１０Ｂのシート材１３を構成する軟化した熱可塑性樹脂が、成形型３０からの加圧力により流動し、成形型３０と繊維強化プラスチック１０Ｂとの摩擦力（せん断力）を低減させることができる。このようにして、繊維強化プラスチック１０Ｂが成形型の形状に追従し、強化繊維が切断されることなく、これまでに比べてより短い時間で、所望の形状の波型状又は凹凸状に成形することができる。
【実施例】
【００３９】
以下に本発明を実施例により説明する。
（実施例）
まず、直径７μｍの直線状の連続炭素繊維を１２０００本束ねた、外径２ｍｍの強化繊維束を９０°程度ずれるように交差積層させた、ステッチ糸により縫い合わせた、１０００ｍｍ×１０００ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの多軸の繊維構造の強化繊維織物を準備し、その後所定の大きさにカットした。これに、マトリクス樹脂として、ガラス転移点約１００℃、融点約１６０℃の熱可塑性樹脂（ＰＰ樹脂）を、含浸させた平板状の繊維強化プラスチック（ＣＰＲＰ）を製作した。
【００４０】
次に、遠赤外線ヒータを用いて、この平板状の繊維強化プラスチックの表面を約２００℃（融点以上）に予熱した。一方、この繊維強化プラスチックの表面を覆う大きさの熱可塑性樹脂からなるフィルム（シート材）を準備した。膜厚５０μｍのＰＰ樹脂（熱可塑性樹脂）からなるフィルム（シート材）を、繊維強化プラスチックの両面に配置して、張り合わせた。
【００４１】
次に、温間プレス装置を用いて、型温度を６０℃から１００℃の範囲に加熱し、上型の加圧力を２０Ｎにして、軟化した熱可塑性樹脂からなるシート材を上型及び下型に挟み込んで、平板状の繊維強化プラスチックを波型状に成形した。成形後の繊維強化プラスチックに含まれる強化繊維を顕微鏡で観察した。
【００４２】
（比較例）
実施例と同じようにして、平板状の繊維強化プラスチックを波型状に成形した。実施例と相違する点は、平板状の繊維強化プラスチックの両面に、熱可塑性樹脂からなるシート材を配置せず、成形を行った点であり、実施例に示す上型の加圧力では、上型で下型を押し切ることができなかったので、さらに、加圧力を増加して、成形を行った。そして、実施例と同様に、成形後の成形後の繊維強化プラスチックに含まれる強化繊維を顕微鏡で観察した。
【００４３】
（結果及び考察）
実施例の繊維強化プラスチックに含まれる強化繊維は、切断されている箇所はなかったが、比較例の強化繊維は、部分的に切断されている箇所があった。比較例の場合には、上型と繊維強化プラスチックとの間に、せん断力が発生したことにより、繊維強化プラスチックの連続した強化繊維が切断されたと考えられ、実施例の場合には、シート材が、成形時に流動することにより、せん断力（摩擦力）が低減されたことによると考えられる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００４５】
たとえば、本実施形態では、予熱された繊維強化プラスチックの熱により、シート材を軟化させたが、予熱前に強化プラスチックの両面にシート材を配置し、その後、シート材が配置された強化プラスチックを加熱し、シート材の熱可塑性樹脂を軟化させてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０Ａ：（平板状の）繊維強化プラスチック、１０Ｂ：（シート材が配置された平板状の）繊維強化プラスチック、１０Ｃ：波型状の繊維強化プラスチック、１１：強化繊維束、１１ａ，１１ｂ：強化繊維束を一方向に引き揃えた層，１３：シート材、２０：遠赤外線ヒータ、３０：成形型、３１：上型、３２：下型
【図１】
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【図２】
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