(57)【要約】【課題】成形型のキャビティ壁面に突起や凹溝等が存在する場合であっても、表層の意匠性面材を構成するクロス材のクロス目のよたりが生じない、もしくは生じに難い繊維強化樹脂材の製造方法と、高意匠性を有する繊維強化樹脂材を提供する。【解決手段】配向方向が異なる複数の面状繊維束層が積層し、さらに、繊維束層内に介在して、射出される第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂にて成形された中間層２を有する、繊維束層ユニット１０と、繊維束層ユニット１０の一方側に配されて、意匠性を付与する表面層３と、からなる積層体２０が成形型内に準備される第１の工程、成形型内に第１の樹脂を注入することにより、表面層３に該第１の樹脂が含浸硬化して表層繊維基材３Ａが形成され、繊維束層内に該第１の樹脂が含浸硬化して強化繊維基材１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａが形成されて、繊維強化樹脂材を製造する第２の工程、からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を束ねてなる繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて面状を呈する第１の繊維束層と、該第１の繊維束層と異なる方向に配向する繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて面状を呈する第２の繊維束層と、が少なくとも積層し、さらに、繊維束層内に介在して、射出される第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂にて成形された中間層を有する、繊維束層ユニットと、前記繊維束層ユニットの一方側に配されて、意匠性を付与する表面層と、からなる積層体が成形型内に準備される第１の工程、
成形型内に前記第１の樹脂を注入することにより、前記表面層に該第１の樹脂が含浸硬化して表層繊維基材が形成され、前記繊維束層内に該第１の樹脂が含浸硬化して強化繊維基材が形成されて、繊維強化樹脂材を製造する第２の工程、からなる、繊維強化樹脂材の製造方法。
【請求項２】
前記繊維が、炭素繊維もしくはガラス繊維のいずれか一種からなり、前記強化繊維基材が、ＣＦＲＰ（カーボンファイバー強化プラスチック）もしくはＧＦＲＰ（ガラスファイバー強化プラスチック）のいずれか一種からなる、請求項１に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
【請求項３】
前記表面層は、炭素繊維もしくはガラス繊維のクロス材からなる、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
【請求項４】
繊維を束ねてなる繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられ、第１の樹脂にて一体とされた強化繊維基材と、
前記第１の繊維束層と異なる方向に配向する繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられ、前記第１の樹脂にて一体とされた別途の強化繊維基材と、
強化繊維基材と別途の強化繊維基材の間に介在して前記第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂からなる中間層と、
炭素繊維もしくはガラス繊維のクロス材が前記第１の樹脂にて一体とされ、意匠性を付与する表層繊維基材と、からなる、繊維強化樹脂材。
【請求項５】
前記繊維が、炭素繊維もしくはガラス繊維のいずれか一種からなり、前記強化繊維基材が、ＣＦＲＰ（カーボンファイバー強化プラスチック）もしくはＧＦＲＰ（ガラスファイバー強化プラスチック）のいずれか一種からなる、請求項４に記載の繊維強化樹脂材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維等の繊維材にて強化された繊維強化樹脂材とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂に強化用繊維材が混入されてなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業、建設産業、航空産業等、広い産業分野で使用されている。
【０００３】
上記するＦＲＰは、面状に配設された複数の繊維束をその配向方向を変化させて積層し、この姿勢で樹脂が含浸されることで面材が形成される。
【０００４】
ところで、上記ＦＲＰにおいて、強化繊維にカーボンファイバーを使用したものはＣＦＲＰ（カーボンファイバー強化プラスチック）として一般に知られている。このＣＦＲＰからなる部材は、多数のカーボンファイバーの束が同一配向姿勢をなして面状部材を形成し、ファイバー配向が異なる他の面状部材がこれに積層し、双方がステッチングされたものにマトリックス樹脂が含浸硬化されて一体成形部材を成した、多軸基材からなる部材である。なお、積層される面状部材の基数は、所望される剛性等によって変化するものであり、たとえば、５つの面状部材が積層してなる５軸基材からなるものも存在する。
【０００５】
ところで、現在、自動車産業においては、環境負荷影響等に優しい車両としてハイブリッド自動車や電気自動車が注目されており、その一層の小型化、軽量化、高性能化を目指した開発が自動車メーカー各社、自動車関連メーカー各社で日々進められている。これらの車両をはじめとする車両全般に目を向けると、車両の軽量化と高剛性化の双方を満足する部材として、上記するＣＦＲＰや、強化繊維にカーボンファイバーを使用してなるＧＦＲＰ（ガラスファイバー強化プラスチック）を、車両ボディ用パネルの一部または全部に適用しようとするニーズが高まっている。
【０００６】
たとえばＣＦＲＰの製造方法の一実施の形態を概説すると、炭素繊維を束ねてなる炭素繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて第１の繊維束群から構成される第１の面材が形成され、この第１の繊維束群と異なる方向に配向する第２の繊維束群から構成される第２の面材が形成され、必要に応じて、第３の面材、第４の面材が同様に形成されるとともに、これらの面材を成形型内で積層し、マトリックス樹脂を注入し、加圧成形することでＣＦＲＰ部材（繊維強化樹脂材）が製造される。たとえば、射出成形の一種であるＲＴＭ成形法を適用して、繊維強化樹脂を製造する方法が特許文献１に開示されている。
【０００７】
上記ＣＦＲＰ部材をはじめとする繊維強化樹脂材が車両ボディに適用されるに際し、実際には、この繊維強化樹脂材の両側面もしくは一方側に高意匠性面材が配されるのが一般的である。たとえば、炭素繊維やガラス繊維のクロス材を使用し、これらの繊維を経編みもしくは緯編み等したクロス材にマトリックス樹脂を含浸硬化させて表層繊維材を形成し、この表層繊維材にて部材の外観意匠性を醸し出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２６９０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実際の型内成形においては、成形型（金型）のキャビティ壁面に、少なからず形状変形部、たとえば、キャビティ壁面からキャビティ内空に突出する突起や、逆にキャビティ壁面で陥没する凹部や凹溝が存在している。たとえば、キャビティの下面に突起が存在する場合に、このキャビティ下面上にマトリックス樹脂注入前の繊維束群の積層体を載置し、最上層に意匠性面材用のクロス材等を積層した姿勢で型閉めし、マトリックス樹脂を注入する成形においては、下面の突起によって積層体を構成する各繊維束群が積層方向に蛇行し、注入されたマトリックス樹脂もこれに追従するようにして同様に積層方向に蛇行する等しながら繊維束群内に含浸する。この結果、表層のクロス材のクロス目によたりが生じ、その本来的な作用効果である外観意匠性が損なわれるという課題が往々にして生じており、当該技術分野における急務の解決課題となっている。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、成形型のキャビティ壁面に突起や凹溝等の形状変形部が存在する場合であっても、少なくとも、表層の意匠性面材を構成するクロス材のクロス目のよたりが生じない、もしくはよたりが生じに難い繊維強化樹脂材の製造方法と、このクロス目のよたりが存在せず、高意匠性を有する繊維強化樹脂材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による繊維強化樹脂材の製造方法は、繊維を束ねてなる繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて面状を呈する第１の繊維束層と、該第１の繊維束層と異なる方向に配向する繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて面状を呈する第２の繊維束層と、が少なくとも積層し、さらに、繊維束層内に介在して、射出される第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂にて成形された中間層を有する、繊維束層ユニットと、前記繊維束層ユニットの一方側に配されて、意匠性を付与する表面層と、からなる積層体が成形型内に準備される第１の工程、成形型内に前記第１の樹脂を注入することにより、前記表面層に該第１の樹脂が含浸硬化して表層繊維基材が形成され、前記繊維束層内に該第１の樹脂が含浸硬化して強化繊維基材が形成されて、繊維強化樹脂材を製造する第２の工程、からなるものである。
【００１２】
本発明の製造方法では、第１の工程で形成される繊維束層ユニットを構成する繊維束層が、２層以上で、たとえば、４層、５層の積層構造を呈するものを包含するものであり、その中には、繊維束の配向が同一配向の繊維束層が存在するものであってもよい（たとえば、５層積層構造であって、その２層目と４層目が同一配向の繊維束層を有する形態など）。いずれにせよ、この面状の繊維束層の間に、繊維束層内に介在して射出される第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂にて成形された中間層が介在して繊維束層ユニットが形成され、さらに、繊維束層ユニットの一方側に、意匠性を付与する表面層が配されて積層体が形成されるものである。
【００１３】
ここで、前記繊維としては、炭素繊維もしくはガラス繊維のいずれか一種を挙げることができ、前記表面層は、炭素繊維もしくはガラス繊維のクロス材からなる形態を挙げることができる。なお、このクロス材は、たとえば、前記ガラス繊維や炭素繊維を経編みした構造、または緯編みした構造を呈するものであり、所望の意匠性を付与するクロス目を形成している。
【００１４】
第２の工程では、金型等の成形型のキャビティ内に上記積層体を移載し、もしくは、キャビティ内で積層体構成部材を順次積層して積層体を形成し、マトリックス樹脂となる前記第１の樹脂を積層体構成部材（より厳密には、中間層以外の積層体構成部材）に含浸させ、さらに、成形型を加圧成形等することで繊維強化樹脂材を製造するものである。なお、この樹脂を注入し、加圧成形する方法としては、一般的な射出成形法（可動型を移動させて加圧するものではなく、完全に閉じたキャビティ内に溶融樹脂を高圧充填する方法）や、射出圧縮法（キャビティ内に余空間を設けておき、溶融樹脂の充填後に可動型を移動させて加圧成形する方法）、ＲＴＭ法などが含まれるものである。
【００１５】
また、マトリックス樹脂となる第１の樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂をはじめとする、任意の樹脂材料を使用することができる。
【００１６】
さらに、第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂としては、第１の樹脂よりも硬化後の弾性率が高い素材のほか、第１の樹脂と同素材の樹脂材料に所望のフィラーやタルクを混合することにより、硬化後の弾性率が高められた素材を適用することができる。なお、フィラーやタルクとしては、たとえば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどを挙げることができる。
【００１７】
積層体の内部に、相対的に高弾性率を有する中間層が介在することにより、たとえば、その下方の面状繊維束層がキャビティ壁面の突起等の形状変形部にて変位し、これに起因して、注入された第１の樹脂が該面状繊維束層内を蛇行しながら含浸したとしても、この含浸する第１の樹脂流れの特に蛇行流れによる圧力を上記中間層にて効果的に受け止め、該中間層よりも上方の面状繊維束層や、さらにその上方の表面層に該蛇行流れによる圧力を作用させないようにすることができる。すなわち、相対的に高弾性な中間層は、この圧力を受けた場合でも容易に変形せず、もしくは容易に変形し難いものであり、該中間層より上方に位置する表面層には、この蛇行流れによる圧力を作用させないようにすることができる。また、形状変形部が凹溝の場合には、中間層の下方の面状繊維束層内を、今度は、含浸樹脂が該中間層から離れる方向に蛇行するように流れることとなり、圧力が作用しない代わりに、この蛇行流れに起因して面状繊維束層が陥没するような変形が招来され得る。この場合でも、高弾性な中間層自体はそのような変形を起こし難いことから、該中間層よりも上方の表面層が陥没等することにより、クロス目がよたるという危険性はやはり回避されるのである。
【００１８】
キャビティ壁面の形状変形部に起因する、第１の樹脂の蛇行流れによる影響が少なくとも表面層に作用しないことより、該表層面を形成するクロス材のクロス目のよたりが抑止され、高意匠性に富む表層繊維基材、ひいては繊維強化樹脂材を製造することが可能となる。
【００１９】
また、本発明による繊維強化樹脂材は、繊維を束ねてなる繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられ、第１の樹脂にて一体とされた強化繊維基材と、前記第１の繊維束層と異なる方向に配向する繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられ、前記第１の樹脂にて一体とされた別途の強化繊維基材と、強化繊維基材と別途の強化繊維基材の間に介在して、前記第１の樹脂よりも弾性率の高い第２の樹脂からなる中間層と、炭素繊維もしくはガラス繊維のクロス材が前記第１の樹脂にて一体とされ、意匠性を付与する表層繊維基材と、からなるものである。
【００２０】
ここで、前記繊維は、炭素繊維もしくはガラス繊維のいずれか一種からなり、したがって、前記強化繊維基材は、ＣＦＲＰ（カーボンファイバー強化プラスチック）もしくはＧＦＲＰ（ガラスファイバー強化プラスチック）のいずれか一種からなるものである。
【００２１】
既述する製造方法と同様に、本発明の繊維強化樹脂材は、積層される強化繊維基材の間に、この強化繊維基材のマトリックス樹脂である第１の樹脂（の硬化体）よりも弾性率の高い第２の樹脂からなる中間層が介在することにより、その成形時にキャビティ壁面の形状変形部に起因する、第１の樹脂の蛇行流れによる影響が少なくとも表面層に作用しないことから、該表層面を形成するクロス材のクロス目のよたりが抑止され、高意匠性に富む繊維強化樹脂材となる。
【００２２】
本発明の繊維強化樹脂材は、この高意匠性に加え、繊維強化プラスチックからなる基材の積層体であることから、軽量で、かつ高い剛性を有しており、品質に優れた繊維強化樹脂材となる。
【発明の効果】
【００２３】
以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化樹脂材とその製造方法によれば、基材を形成するマトリックス樹脂よりも高弾性な樹脂からなる中間層が、積層された基材内に介在することにより、その成形時にキャビティ壁面の形状変形部に起因してマトリックス樹脂が蛇行流れを起こし、この蛇行流れによる影響が中間層に作用した場合でも、この中間層はその高弾性にて変形しない、もしくは変形し難いことから、表層面には何等の作用も付与されず、結果として、該表面層を形成するクロス材のクロス目のよたりを抑止することができ、高意匠性に富む繊維強化樹脂材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】成形型内に樹脂が注入され、積層体内を含浸している状況の一実施の形態を説明した模式図である。
【図２】本発明の繊維強化樹脂材を示した斜視図である。
【図３】成形型内に樹脂が注入され、積層体内を含浸している状況の他の実施の形態を説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、４層の強化繊維基材と、中間層（下方から３層目、４層目の基材間に介層）と、表層繊維基材と、が一体に成形された繊維強化樹脂材を示しているが、強化繊維基材の基数はこれに限定されるものではなく、さらには、中間層の介在位置も、図示例に限定されるものでないことは勿論のことである。
【００２６】
図１は、成形型内に樹脂が注入され、積層体内を含浸している状況の一実施の形態を説明した模式図であり、図２は、図１で示す射出成形にて成形された繊維強化樹脂材を示したものである。
【００２７】
まず、図１を参照して、本発明の維強化樹脂材の製造方法を概説する。
固定型Ｓ１と可動型Ｓ２とからなる成形型（金型）を用意し、そのキャビティＣ内に、積層体２０を移載もしくは、その構成部材を順に該キャビティＣ内に載置していく。
【００２８】
この積層体２０は、キャビティＣの下面に直接載置された繊維束層ユニット１０と、その上方に載置された表面層３と、から構成される。
【００２９】
繊維束層ユニット１０は、キャビティＣの下面側から順に、４層の面状繊維束層１４，１３，１２，１１が積層されており、各面状繊維束層は、炭素繊維を束ねてなる繊維束が同一配向を有した姿勢で複数並べられて面状を呈しており、少なくとも、積層姿勢において隣接する上下の繊維束層と繊維束層は、異なる方向に繊維束が配向するものである。
【００３０】
そして、面状繊維束層１１，１２の間には、中間層２が介在している。この中間層２も、たとえば、所望方向に配向する繊維束を有するものであり、射出成形に先行して、予め樹脂（第２の樹脂）が含浸硬化されたプリプレグである。
【００３１】
表面層３は、ガラス繊維や炭素繊維を経編み、もしくは緯編みしたクロス材からなり、所望の意匠性を付与するクロス目を形成している。
【００３２】
繊維束層ユニット１０と表面層３からなる積層体２０をキャビティＣ内に収容し、型閉め後に、可動型Ｓ２に形成された注入孔Ｓ２ａを介して、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂（第１の樹脂）が注入される（Ｘ方向）。
【００３３】
ここで、中間層２を形成する樹脂（第２の樹脂）は、第１の樹脂よりも、その硬化した際の弾性率が高いものである。このような高弾性率の樹脂としては、第１の樹脂であるエポキシ樹脂に、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーを含有した素材を適用できる。
【００３４】
図１では、キャビティＣの下面に、形状変形部である突起Ｔがキャビティ内空側へ突出している。
【００３５】
この突起Ｔ上に積層体２０を載置した場合、この突起Ｔに起因して該積層体２０の形状は変形する。
【００３６】
この変形姿勢の積層体２０に対して、マトリックス樹脂がたとえば高圧注入され、各面状繊維束層１４，１３，１２，１１内を含浸すると、突起Ｔにて上方へ変形された領域で該マトリックス樹脂も上方へ流れ、次いで下方へ流れるという具合に蛇行しながら含浸する（Ｘ１方向）。
【００３７】
この蛇行含浸の際に、中間層２には、下方から上方への圧力Ｐが作用する。
仮に、この中間層２が存在しない場合は、この圧力Ｐが、その上方の面状繊維束層１１および表面層３に作用し、表面層３を形成するクロス材のクロス目がよたってしまう可能性が高い。
【００３８】
しかし、マトリクス樹脂（の硬化体）に対して相対的に高弾性な中間層２が存在していることにより、この中間層２は下方からの圧力Ｐを受けても変形せず、もしくはほとんど変形を生じないという作用を奏し、結果として、表面層３に対してクロス目をよたらすような影響を与えない。
【００３９】
なお、中間層２の剛性（もしくは変形性）は、キャビティＣ内で生じ得る圧力Ｐを実験や経験則等から予め特定しておき、この想定される圧力Ｐに対して変形しない、もしくは、表面層３の外観意匠性を阻害しない程度の変形を許容する剛性に設定されている必要がある。
【００４０】
注入されたマトリックス樹脂が硬化し、成形型を型開きすることで、図２で示すような繊維強化樹脂材３０が製造される。
【００４１】
図示する繊維強化樹脂材３０は、所望のクロス目を有し、外観意匠性に優れた表層繊維基材３Ａ，強化繊維基材１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａと中間層２が積層され、一体化された繊維強化樹脂材である。
【００４２】
図３は、成形型内に樹脂が注入され、積層体内を含浸している状況の他の実施の形態を説明した模式図である。
【００４３】
この実施の形態では、キャビティＣの下面に、形状変形部として溝Ｍが存在するものである。
【００４４】
この場合には、この溝Ｍ上に積層体２０を載置した場合、この溝Ｍにひきずられて、少なくとも中間層２の下方の面状繊維束層１４，１３，１２は、溝Ｍに対応する領域が下方に変形する。
【００４５】
この姿勢でキャビティＣ内にマトリックス樹脂を注入すると、注入されたマトリックス樹脂は、今度は、図示のごとく下方に流れ、次いで上方に流れるといった具合に蛇行しながら含浸する（Ｘ２方向）。
【００４６】
仮に、この中間層２が存在しない場合は、面状繊維束層１１および表面層３も同様に溝Ｍに対応する領域で下方へ変形してしまい、やはり、表面層３を形成するクロス材のクロス目がよたってしまう可能性が高い。
【００４７】
しかし、マトリクス樹脂（の硬化体）に対して相対的に高弾性な中間層２が存在していることにより、この中間層２は下方への変形に対して自身の剛性にて抗し、その平面姿勢を維持することができ、結果として、表面層３に対してクロス目をよたらすような影響を与えないようにすることができるのである。
【００４８】
なお、図示を省略するが、図３で示すような溝ＭがキャビティＣの壁面に存在する場合に、その溝Ｍ内にＳＭＣ（Sheet Molding Compound）を予め目詰めしておいてもよい。
【００４９】
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等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
２…中間層、３…表面層（クロス材）、３Ａ…表層繊維基材、１０…繊維束層ユニット、１１，１２，１３，１４…面状繊維束層、１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ…強化繊維基材、２０…積層体、３０…繊維強化樹脂材、Ｃ…キャビティ、Ｔ…突起、Ｍ…溝
【図１】
2010221551.tif 000003
【図２】
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【図３】
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