(57)【要約】【課題】強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱する工程と、予備加熱により軟化したＦＲＰ素材を加圧成形する工程と、を少なくとも有するＦＲＰ成形品の成形方法において、予備加熱時にＦＲＰ素材にスプリングバック（膨張）が発生するのを抑制する。【解決手段】予備加熱工程の前に、ＦＲＰ素材１ｂにステッチ糸４を用いてステッチ処理を行うようにする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱する工程と、予備加熱により軟化したＦＲＰ素材を加圧成形する工程と、を少なくとも有するＦＲＰ成形品の成形方法において、
予備加熱工程の前に、ＦＲＰ素材をステッチ糸を用いてステッチする工程をさらに含むことを特徴とするＦＲＰ成形品の成形方法。
【請求項２】
前記ステッチ糸として、融点が前記熱可塑性樹脂の融点より高い繊維を用いることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ成形品の成形方法。
【請求項３】
ステッチの間隔は１〜５０ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ成形品の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ成形品を成形する成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やガラス繊維のような強化用の長繊維を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂中に混入して強度を向上させた素材は、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）素材として知られている。また、ＦＲＰ素材の一例として、特許文献１、２には、強化繊維基材を積層した積層体をポリマー糸などでステッチすることで一体化した後、熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂を含浸させるようにしたものが記載されている。
【０００３】
熱により軟化する素材を成形する成形方法として、３次元成形品を得るような場合には、通常、特許文献３に記載のように、素材を予備加熱して軟化させ、予備加熱によって軟化した素材を加圧成形して成形品とすることが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２７０６８号公報
【特許文献２】特開２００６−２３３１２０号公報
【特許文献３】特開２０００−１９８１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を加圧成形して、例えば３次元形状のＦＲＰ成形品を成形するときには、前記のように、ＦＲＰ素材を予備加熱することが行われる。予備加熱は、熱板やＩＲヒータなどの加熱源を備えた加熱装置を用いて行われるが、予備加熱時にＦＲＰ素材を構成する熱可塑性樹脂が軟化したとき、特にＦＲＰ素材が熱可塑性樹脂の融点以上の温度になったとき、ＦＲＰ素材にスプリングバック（膨張）が生じる場合がある。この発生メカニズムは次のように考えられる。すなわち、ＦＲＰ素材の製造において、熱可塑性樹脂と強化繊維の混合体は、熱可塑性樹脂が軟化状態または溶融状態にあるときに熱圧処理されて所望の厚さに整えられ、その後、冷却されてＦＲＰ素材とされる場合がある。厚み方向への熱圧処理時に、強化繊維は圧縮を受け、厚み方向に容積を小さくした状態で冷え固められる。その状態のＦＲＰ素材を予備加熱すると、厚み方向に圧縮されていた繊維が熱可塑性樹脂の軟化に伴い自由度を回復し、厚み方向に膨張する。その強化繊維の厚み方向への膨張が、ＦＲＰ素材にスプリングバックが生じる原因であると考えられる。
【０００６】
予備加熱時に、ＦＲＰ素材にスプリングバック（初期板厚の数倍になることもある）が生じると、ＦＲＰ素材が加熱装置の熱板等に接触したり付着することが起こり得る。その場合、加熱装置側に付着した樹脂および強化繊維を除去するために、加熱装置を頻繁に洗浄することが必要となる。また、ＦＲＰ素材の表面近傍における繊維・樹脂比率が不規則に変化することで、ＦＲＰ成形品の均質性が低下することも起こり得る。
【０００７】
それを回避するために、現在、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱するときに、ＦＲＰ素材と加熱装置の熱源との間の距離管理を慎重に行う必要があり、作業が繁雑なことから、ＦＲＰ成形品の成形方法において、解決すべき課題の一つとなっている。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱するときに生じやすいスプリングバック量を大きく低減することができ、それにより、予備加熱時でのＦＲＰ素材と加熱装置の熱源との間の距離管理を容易とし、同時に、得られるＦＲＰ成形品の品質の均一性も向上可能とした、より改良されたＦＲＰ成形品の成形方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるＦＲＰ成形品の成形方法は、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱する工程と、予備加熱により軟化したＦＲＰ素材を加圧成形する工程と、を少なくとも有するＦＲＰ成形品の成形方法において、予備加熱工程の前に、ＦＲＰ素材をステッチ糸を用いてステッチする工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明による成形方法では、ＦＲＰ素材の予備加熱時に、熱可塑性樹脂が軟化あるいは溶融状態となっても、ＦＲＰ素材にはステッチ糸を用いてステッチ処理が施されており、ＦＲＰ素材の厚み方向への自由移動が制限される。それにより、ＦＲＰ素材の板厚がほとんど変化しないこと（スプリングバックが生じないこと）を前提に、予備加熱時でのＦＲＰ素材と加熱装置の熱源との間の距離管理を行うことができるようになり、予備加熱工程での加熱装置の制御が容易となる。また、ＦＲＰ素材が加熱装置の熱板等に接触したり付着したりして互いに緩衝することを確実に回避できるので、装置のメンテナンスが容易となり、かつ、ＦＲＰ成形品の均質性も担保される。
【００１１】
本発明において、前記熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＳ、ＡＢＳ、ポリ塩化ビニル樹脂、メタクリル樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性エポキシ樹脂、を用いることができる。前記ステッチ糸としては、予備加熱時の温度で溶融しないことを条件に任意の縫い糸を用いることができる。好ましくは、融点が前記熱可塑性樹脂の融点より高い繊維である。例として、銅、鋼、アルミニウム、ステンレスなどの金属繊維、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニアなどのセラミックス繊維、炭素繊維、ガラス繊維、などを用いることができる。
【００１２】
本発明において、対象となるＦＲＰ素材には、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材であればよく、従来のＦＲＰ成形品を成形する成形方法で用いられているＦＲＰ素材を適宜用いることができる。
【００１３】
なお、本発明において「ステッチ」とはステッチ糸（縫い糸）を用いて基材を表から裏にかけて連続して縫製することをいっており、一例として、ミシン編みが挙げられる。ステッチの縫い目の間隔は縫い目方向および縫い目に平行な方向において、ともに１〜５０ｍｍ程度が適切である。本発明者らの実験によれば、間隔が１ｍｍよりも狭いとスプリングバック抑制効果の向上が見られずコスト的にオーバースペックであり、５０ｍｍを超えると十分なスプリングバック抑制効果が得られなかった。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材を予備加熱する工程を必要とするＦＲＰ成形品の成形方法において、予備加熱時にＦＲＰ素材にスプリングバックが発生するのを抑制することができる。そのために、予備加熱装置側のＦＲＰ素材と熱源との間の距離管理が容易となり、同時に、得られるＦＲＰ成形品の品質の均一性も確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＦＲＰ素材の製造工程の一例を示す図。
【図２】ＦＲＰ素材が予備加熱を受けたときの挙動を説明する図。
【図３】ＦＲＰ素材にステッチを施した状態を示す図。
【図４】ステッチを施したＦＲＰ素材が予備加熱を受けたときの挙動を説明する図。
【図５】ＦＲＰ素材が予備加熱された後、加圧成形される工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。
図１は、強化繊維糸を熱可塑性樹脂中に混入させてなるＦＲＰ素材の製造工程の一例を示している。この例において、図１（ａ）に示すように、最初に、強化繊維として機能する炭素繊維などの不織布２の適数枚と、熱可塑性樹脂である熱可塑性樹脂フィルム３の適数枚との積層体１が作られる。その積層体１を熱圧することで、熱可塑性樹脂（熱可塑性樹脂フィルム３）は不織布２中に溶融含浸していき、その後、冷却することで強化繊維と樹脂とが一体化したＦＲＰ素材１ａとなる。製造の過程で、積層体１は全体が圧縮されて所望の厚さとされる、図示の例では、２ｍｍ厚となるように、熱圧制御がされている。積層体１の圧縮により炭素繊維の不織布２も圧縮を受け、その厚さは、図１（ａ）の状態よりも薄くなる。
【００１７】
そのＦＲＰ素材１ａを用いて、例えば３次元形状の成形品を成形する場合、成形を容易にしかつ成形型に沿った成形品が確実に得られるように、ＦＲＰ素材１ａに対して予備加熱が行われる。図２は、そのときの状態を示しており、ＦＲＰ素材１ａは、加熱装置１０の熱板１１（またはＩＲヒータなど）の間に配置されて加熱される。予備加熱により、熱可塑性樹脂３は軟化温度または融点以上の温度まで加熱される。熱可塑性樹脂が軟化あるいは溶融することで、ＦＲＰ素材１ａ中の炭素繊維は応力から開放された状態となり、厚みを増す方向の挙動を示す。その挙動により、ＦＲＰ素材１ａは、板厚方向に膨張して、図２の点線で示す形状となる。この膨張による板厚方向の膨らみがスプリングバックと呼ばれている。
【００１８】
スプリングバックによる膨張が生じると、上下に配置した熱板１１とＦＲＰ素材１ａとが接触する（干渉する）事態が起こりうる。接触すると、熱可塑性樹脂３や炭素繊維２の一部が熱板１１側に付着してしまう恐れがある。そのような付着が生じないように、ＦＲＰ素材１ａと熱板１１との間隔を慎重に管理することが求められる。
【００１９】
ＦＲＰ素材１ａと熱板１１との間隔管理を容易にするために、本発明においては、加熱装置１０によってＦＲＰ素材１ａを予備加熱する前に、より好ましくは予備加熱の直前に、既成のＦＲＰ素材１ａに対して、炭素繊維やカラス繊維のようなステッチ糸（縫い糸）４を用いて、ステッチ処理を行う。図３はステッチ処理が施されたＦＲＰ素材１ｂを示しており、ＦＲＰ素材１ｂの全体に、ステッチ糸４による縫い込み行われている。ステッチ処理を施すことで、ＦＲＰ素材１ｂは、板厚方向の自由度が制限を受けることとなり、板厚方向の膨張が規制される。
【００２０】
図４は、本発明によるＦＲＰ素材１ｂに対して、予備加熱を行ったときの状態を示す、図２に相当する図である。ＦＲＰ素材１ｂは、熱板１１による加熱で熱可塑性樹脂３が軟化または溶融するまで加熱され、強化繊維２が厚みを増す方向に膨張できるようになったとしても、ＦＲＰ素材１ｂ全体が、ステッチ処理によるステッチ糸４によって板厚方向の膨張が規制されているので、予備加熱時に、大きくスプリングバックすることはなく、ほぼ当初の厚さ（この例では２ｍｍ）がそのまま維持される。
【００２１】
従って、ＦＲＰ素材１ｂと熱板１１との間の間隔管理は容易となり、かつ予備加熱後のＦＲＰ素材ｂの均質性も確保される。
【００２２】
予備加熱されたＦＲＰ素材１ｂは、図５（ａ）に示すように、適宜の移送装置２０により成形機３０側へ移送され、図５（ｂ）に示すように、プレス機３１を備えた成形機３０の雌雄の型３２、３３の間にセットされ、熱圧成形される。熱圧成形後に、冷却と型開きを行うことで、所望のＦＲＰ成形品（不図示）とされる。
【００２３】
前記したように、本発明によるＦＲＰ成形品の成形方法によれば、ＦＲＰ素材１ｂは、予備加熱時に加熱装置１０の熱板１１等に接触することはなく、熱可塑性樹脂３や強化繊維２の一部を熱板１１側に移転させてしまうことは生じないので、成形されるＦＲＰ成形品は品質の均一性が担保される。
【００２４】
なお、本発明において、ベースとなるＦＲＰ素材１ａは、従来知られた任意の熱可塑性材料を用い、任意の方法で作ることができる。図示したように、強化繊維シートと熱可塑性樹脂シートを積層したものを加熱圧接して一体化してもよく、図示しないが、強化繊維シートの積層体に溶融した熱可塑性樹脂を注入することで一体化してもよい。また、予めステッチ処理を施した強化繊維積層体に熱可塑性樹脂を含浸したＦＲＰ素材に対しても、本発明の方法を適用することもできる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例と比較例により、本発明を説明する。
［実施例］
（１）炭素繊維の不織布２と、熱可塑性樹脂シート３としてのポリアミド樹脂シートを適数枚だけ積層して、平均厚みが５ｍｍの積層体１を作った。積層体１を熱板間で加熱圧縮した後に冷却し、厚み２ｍｍのＦＲＰ素材１ａとした。
（２）厚み２ｍｍのＦＲＰ素材１ａに対して、従来知られたステッチ装置を用い、炭素繊維糸を用いてステッチ処理を行い、その全面に連続する縫い込みを形成してＦＲＰ素材１ｂとした。ステッチの間隔（ステッチの縫い目方向および縫い目に平行な方向の双方）を３〜５０ｍｍの間で変えて、多種類のＦＲＰ素材１ｂを調整した。
（３）上記のＦＲＰ素材１ｂを加熱装置１０の熱板１１間に配置して、７００℃の温度で２０〜３０秒間加熱し、ＦＲＰ素材１ｂを予備加熱した。予備加熱前のＦＲＰ素材１ｂと予備加熱後のＦＲＰ素材１ｂと厚みの差を測定したところ、差は０．５〜２ｍｍの範囲であった。なお、厚みの測定は顕微鏡下での測定で行った。
【００２６】
［比較例］
実施例の（１）に記載したＦＲＰ素材１ａの複数個について、実施例の（３）と同じようにして予備加熱を行った。実施例と同様にして予備加熱前のＦＲＰ素材１ａと予備加熱後のＦＲＰ素材１ａと厚みの差を測定したところ、差は５〜１５ｍｍの範囲であった。
【００２７】
［考察］
実施例と比較例とを比較すると、予備加熱前と予備加熱後でのＦＲＰ素材の厚みの差は大きく異なっており、本発明による成形方法の優位性が示される。
【符号の説明】
【００２８】
１…強化繊維を熱可塑性樹脂の積層体、
１ａ…ステッチのないＦＲＰ素材、
１ｂ…本発明によるステッチを施したＦＲＰ素材
２…強化繊維シート、
３…熱可塑性樹脂シート、
１０…予備加熱装置、
１１…熱板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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