(57)【要約】【課題】簡単な方法で高強度の繊維強化部材を製造することのできる繊維強化樹脂材の製造方法を提供する。【解決手段】凹凸を有する加圧面を備えた成形型Ｋを使用し、シート状の繊維束１と熱可塑性樹脂材２を積層させた積層体３を熱可塑性樹脂材２の溶融温度以上まで加熱しながら積層方向へ加圧して波状の中間体４を形成する第１の工程と、平面からなる加圧面を備えた成形型Ｌを使用し、中間体４の側面のうち積層方向と直交する方向の側面４ｂを拘束しながら中間体４を積層方向へ加圧して繊維強化樹脂材５を成形する第２の工程と、からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維束の空隙内に熱可塑性樹脂が含浸してなる繊維強化樹脂材を製造する繊維強化樹脂材の製造方法であって、
凹凸を有する加圧面を備えた第１の成形型を使用し、シート状の繊維束と熱可塑性樹脂材を積層させた積層体を熱可塑性樹脂材の溶融温度以上まで加熱しながら積層方向へ加圧して波状の中間体を形成する第１の工程と、
凹凸を有しない平坦な加圧面を備えた第２の成形型を使用し、前記中間体の側面のうち積層方向と直交する方向の側面を拘束しながら前記中間体を積層方向へ加圧して繊維強化樹脂材を成形する第２の工程と、からなる繊維強化樹脂材の製造方法。
【請求項２】
積層方向と直交する方向で視た際に、前記第１の成形型の加圧面の凹部の表面長さが、前記繊維束を構成する繊維材の平均繊維長よりも相対的に長い、請求項１に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂材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樹脂材（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】
たとえば自動車産業においては、環境負荷影響等の少な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。これらの所謂エコカーのみならずその他一般のガソリン車両やディーゼル車両を含む車両全般に対して、車両の軽量化と高剛性化の双方を満足する部材として繊維強化樹脂材を車両ボディー用パネルなど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。
【０００４】
ところで、従来の繊維強化樹脂材Ｅの製造方法として、たとえば図５で示すように、繊維材を含む繊維束Ｂとシート状の熱可塑性樹脂材Ｃを交互に積層させ、加圧ローラＤを用いてその積層体Ａに加熱処理及び加圧処理を施して溶融させた熱可塑性樹脂を繊維束Ｂの空隙内へ含浸させ、その積層体Ａに冷却処理を施して溶融状態の熱可塑性樹脂を硬化させる方法が知られている。
【０００５】
しかしながら、上記する従来の製造方法で製造された繊維強化樹脂材Ｅにおいては、たとえば製造時の加熱条件や加圧条件等によって溶融状態の熱可塑性樹脂が繊維束の空隙内へ十分に含浸していない場合、繊維束と熱可塑性樹脂材の間に厚さ方向で略一定の界面が形成されるため、繊維束と熱可塑性樹脂材がその界面近傍で剥離し易く、かつその界面近傍で発生した剥離が繊維束と熱可塑性樹脂材の界面に進展し易く、繊維強化樹脂材全体の強度が低下する可能性があるといった問題がある。
【０００６】
このような問題に対して、特許文献１には、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂といった積層体を構成する異種材料間の接合強度を高める技術が開示されている。
【０００７】
特許文献１に開示されている積層体の製造方法は、多数本の連続したフィラメントからなる強化繊維群に硬化前の熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグの表面に熱可塑性樹脂からなる熱接着用基材を配置し、熱硬化性樹脂の硬化反応時に、もしくは、硬化反応前の予熱時に、熱接着用基材の熱可塑性樹脂を強化繊維群に含浸させる方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００４／０６０６５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されている積層体の製造方法によれば、強化繊維群を形成する多数本のフィラメントの間へ熱可塑性樹脂が浸透し、熱硬化性樹脂層と熱可塑性樹脂層がその界面で凹凸形状を有して一体化されるため、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂からなる異種材料間の接合強度を高めることができる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されている積層体の製造方法においては、その製造工程や製造条件が煩雑であり、積層体の製造コストが高騰するといった問題が生じ得る。
【００１１】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、簡単な方法で高強度の繊維強化部材を製造することのできる繊維強化樹脂材の製造方法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】
【００１２】
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、繊維束の空隙内に熱可塑性樹脂が含浸してなる繊維強化樹脂材を製造する繊維強化樹脂材の製造方法であって、凹凸を有する加圧面を備えた第１の成形型を使用し、シート状の繊維束と熱可塑性樹脂材を積層させた積層体を熱可塑性樹脂材の溶融温度以上まで加熱しながら積層方向へ加圧して波状の中間体を形成する第１の工程と、凹凸を有しない平坦な加圧面を備えた第２の成形型を使用し、前記中間体の側面のうち積層方向と直交する方向の側面を拘束しながら前記中間体を積層方向へ加圧して繊維強化樹脂材を成形する第２の工程と、からなる方法である。
【００１３】
上記する製造方法に適用される熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、メタクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、熱可塑性エポキシ樹脂などのいずれか一種もしくは二種以上の混合材であって、その溶融温度が繊維材の発火温度よりも相対的に低い樹脂を挙げることができる。
【００１４】
また、上記繊維束を形成する繊維材としては、たとえば、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステル、セルロースなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。
【００１５】
上記する製造方法によれば、凹凸を有する加圧面を備えた第１の成形型を使用し、シート状の繊維束と熱可塑性樹脂材を積層させた積層体を熱可塑性樹脂材の溶融温度以上まで加熱しながら積層方向へ加圧することにより、繊維束の空隙内に熱可塑性樹脂が含浸された波状の中間体を形成することができる。また、凹凸を有しない平坦な加圧面を備えた第２の成形型を使用し、中間体の側面のうち積層方向と直交する方向の側面を拘束しながら中間体を積層方向へ加圧することにより、たとえば製造時の加熱条件や加圧条件等によって繊維束と熱可塑性樹脂材との間に界面が形成される場合であっても、繊維束と熱可塑性樹脂材の間に形成される界面を波状に維持しながら繊維強化樹脂材を所望の形状に成形することができる。これにより、たとえば繊維束と熱可塑性樹脂材の間に厚さ方向で略一定な界面が形成される従来の繊維強化樹脂材と比較して、たとえば製造時の加熱条件や加圧条件等が変化した場合であっても、繊維束と熱可塑性樹脂材の密着力を安定して高めることができ、繊維束と熱可塑性樹脂材の間の界面近傍での剥離の発生や進展を抑制することができ、繊維強化樹脂材の強度を格段に高めることができる。
【００１６】
ここで、凹凸を有しない平坦な加圧面には、平面からなる加圧面のほか、僅かに湾曲した曲面からなる加圧面、平面と僅かに湾曲した曲面を組み合わせた加圧面が含まれる。なお、たとえば第２の成形型の加圧面が平面からなる場合には、第２の成形型の構成を簡素化できるとともに、第２の成形型によって成形される繊維強化樹脂材の形状を精緻に規定することができる。
【００１７】
また、上記する製造方法は、積層方向と直交する方向で視た際に、前記第１の成形型の加圧面の凹部の表面長さが、前記繊維束を構成する繊維材の平均繊維長よりも相対的に長い方法である。
【００１８】
上記する製造方法によれば、第１の成形型を用いて繊維束と熱可塑性樹脂材からなる積層体を加圧する際、波状の中間体の凸部内に繊維束を構成する繊維材を確実に分布させることができ、第２の成形型を用いて波状の中間体を加圧する際に繊維束と熱可塑性樹脂材の界面を確実に波状に維持することができるため、繊維束と熱可塑性樹脂材の密着力を確実に高めることができ、繊維束と熱可塑性樹脂材の間の界面近傍での剥離の発生や進展をより一層抑制することができ、繊維強化樹脂材の強度をより効果的に高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
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の製造方法によれば、凹凸を有する加圧面を備えた第１の成形型を用いて波状の中間体を形成し、凹凸を有しない平坦な加圧面を備えた第２の成形型を用いてその中間体を加圧して繊維強化樹脂材を成形するという極めて簡単な方法によって、高強度の繊維強化部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の繊維強化樹脂材の製造方法の一実施の形態を模式的に説明した縦断面図であって、（ａ）は波状の中間体を形成する第１の工程を説明した図であり、（ｂ）は形成された中間体を説明した図であり、（ｃ）は平板状の繊維強化樹脂材を成形する第２の工程を説明した図であり、（ｄ）は成形された繊維強化樹脂材を説明した図である。
【図２】図１（ａ）で示す成形型の加圧面を模式的に示した斜視図である。
【図３】図１（ｂ）で示す中間体の内部を拡大して示した縦断面図である。
【図４】検査用試験体による実施例１、２および比較例１の曲げ強度測定結果を示した図である。
【図５】従来の繊維強化樹脂材の製造方法を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の繊維強化樹脂材の製造方法の実施の形態を説明する。
【００２２】
［繊維強化樹脂材の製造方法の実施の形態］
図１は、本発明の繊維強化樹脂材の製造方法の一実施の形態を模式的に説明した縦断面図であって、図１（ａ）は波状の中間体を形成する第１の工程を説明した図であり、図１（ｂ）は形成された中間体を説明した図であり、図１（ｃ）は平板状の繊維強化樹脂材を成形する第２の工程を説明した図であり、図１（ｄ）は成形された繊維強化樹脂材を説明した図である。また、図２は、図１（ａ）で示す成形型の加圧面を模式的に示した斜視図である。また、図３は、図１（ｂ）で示す中間体の内部を拡大して示した縦断面図である。
【００２３】
繊維強化樹脂材を製造するに当たり、まず、シート状（たとえば平板状）の繊維束１と熱可塑性樹脂材２、凹凸を有する加圧面（図２参照）を備えた上型Ｋ１と下型Ｋ２からなる成形型Ｋを用意する。ここで、上型Ｋ１の加圧面Ｋ１ａと下型Ｋ２の加圧面Ｋ２ａは相補的な形状を呈している。
【００２４】
なお、熱可塑性樹脂材２を構成する熱可塑性樹脂（マトリックス樹脂ともいう）としては、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、メタクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、熱可塑性エポキシ樹脂などのいずれか一種もしくは二種以上の混合材であって、その溶融温度が繊維束１を構成する繊維材の発火温度よりも相対的に低い樹脂を挙げることができる。
【００２５】
また、繊維束１を構成する繊維材としては、たとえば、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステル、セルロースなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。
【００２６】
次いで、図１（ａ）で示すように、用意した繊維束１と熱可塑性樹脂材２を交互に積層させて積層体３を形成し、その積層体３を成形型Ｋの上型Ｋ１と下型Ｋ２の間に配置し、上型Ｋ１と下型Ｋ２を熱可塑性樹脂材２の溶融温度以上まで昇温させた状態で相互に近接させる。このように、成形型Ｋを用いて積層体３を熱可塑性樹脂材２の溶融温度以上まで加熱しながらその積層方向（Ｘ１方向）へ加圧することによって、繊維束１の空隙内に溶融状態の熱可塑性樹脂が含浸されながら積層体３が波状に賦形される（第１の工程）。
【００２７】
そして、波状に賦形された積層体３を降温させて溶融状態の熱可塑性樹脂を硬化させた後、前記積層体３を成形型Ｋから脱型することによって、図１（ｂ）で示すような、繊維強化樹脂からなる波状の中間体４が形成される。その際、たとえば加熱条件や加圧条件等によって溶融状態の熱可塑性樹脂が繊維束１の空隙内へ十分に含浸せず、繊維束１と熱可塑性樹脂材２の間に界面４ａが形成される場合であっても、その界面４ａは波状の中間体４の内部で該中間体４の外形と同様に波状を呈している。
【００２８】
次に、波状の中間体４を平板状に賦形するため、平面からなる加圧面を備えた上型Ｌ１と下型Ｌ２からなる成形型Ｌを用意する。ここで、成形型Ｌの下型Ｌ２は凹部Ｌ２ｃを有しており、その凹部Ｌ２ｃの平面からなる底面Ｌ２ａが加圧面を構成し、凹部Ｌ２ｃの側面Ｌ２ｂが中間体４の側面のうち積層方向（Ｘ１方向）と直交する方向（Ｙ１方向）の側面４ｂを拘束する拘束面を構成する。また、上型Ｌ１の加圧面Ｌ１ａと下型Ｌ２の加圧面Ｌ２ａは相補的な形状を呈している。
【００２９】
次いで、図１（ｃ）で示すように、上記第１の工程で形成された波状の中間体４を下型Ｌ２の凹部Ｌ２ｃに配置し、上型Ｌ１と下型Ｌ２を所定温度以上（たとえば中間体４の賦形に必要とされる温度や第１の工程での成形型Ｋの型温度と同等の温度以上）まで昇温させた状態で上型Ｌ１の加圧面Ｌ１ａを下型Ｌ２の凹部Ｌ２ｃへ嵌合させる。このように、成形型Ｌを用いて中間体４の側面４ｂを拘束しながら中間体４をその積層方向（矢印Ｘ１方向）へ加圧することによって、中間体４の繊維束１と熱可塑性樹脂材２の間に形成され得る界面４ａ、特に中間体４の側面４ｂ近傍における繊維束１と熱可塑性樹脂材２の界面４ａが波状に維持された状態で中間体４が平板状に賦形される（第２の工程）。
【００３０】
そして、平板状に賦形された中間体４を降温させて硬化させた後、その中間体４を成形型Ｌから脱型することによって、図１（ｄ）で示すような、繊維束１と熱可塑性樹脂材２の間に形成され得る界面４ａが波状を呈し且つ外形が平板状を呈する繊維強化樹脂材５が成形される。
【００３１】
このような工程で繊維強化樹脂材５を製造することにより、たとえば加熱条件や加圧条件等によって繊維束１と熱可塑性樹脂材２の間に界面４ａが形成される場合であっても、その界面４ａを波状にして繊維束１と熱可塑性樹脂材２の密着力を高めることができ、繊維束１と熱可塑性樹脂材２の界面４ａ近傍での剥離の発生や進展を抑制することができ、繊維強化樹脂材５の強度を格段に高めることができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、繊維束１を構成する繊維材の平均繊維長が、積層方向と直交する方向で視た際の成形型Ｋの上型Ｋ１と下型Ｋ２の加圧面の凹部の表面長さＳ（図２参照）よりも相対的に短くなっている。これにより、図３で示すように、第１の工程で積層体３を加圧して波状の中間体４を形成した際、その中間体４の凸部（表面長さＳ）４ｃに繊維束１を構成する繊維材１ａを分散して配置することができる。その結果、第２の工程で中間体４を加圧して平板状に賦形した際、繊維束１と熱可塑性樹脂材２の間に形成され得る界面４ａを確実に波状に維持することができ、繊維束１と熱可塑性樹脂材２の密着力を確実に高めることができる。
【００３３】
［検査用試験体による繊維強化樹脂材の曲げ強度を測定した実験とその結果］
本発明者等は、製造方法の異なる３種類の検査用試験体（実施例１、２、比較例１）を作製し、実施例１、２および比較例１のそれぞれの検査用試験体に対して曲げ強度測定（JIS K 7074に準拠）を実施した。
【００３４】
＜実施例１、２の検査用試験体の作製方法＞
まず、実施例１、２の検査用試験体の作製方法を概説すると、平均繊維長が30mmである炭素繊維からなる繊維束とＰＡ６からなる熱可塑性樹脂材、および、凹凸を有する加圧面を備えた上型と下型からなる成形型を用意した。次いで、その繊維束と熱可塑性樹脂材を交互に８層積層させて積層体を形成し、その積層体を成形型の上型と下型の間に配置し、上型と下型を280度まで昇温させた状態で近接させ、積層体をその積層方向へ5MPaで加圧した。そして、その積層体を降温させて硬化させた後、その積層体を成形型から脱型して波状の中間体を形成した。次に、平面からなる加圧面を備えた上型と下型からなる成形型を用意し、波状の中間体を下型に形成された凹部に配置し、上型と下型を280度まで昇温させた状態で上型の加圧面を下型の凹部へ嵌合させ、中間体の側面（積層方向と直交する方向の側面）を拘束しながら積層体をその積層方向へ5MPaで加圧した。そして、その中間体を降温させて硬化させた後、その中間体を成形型から脱型して平板状の繊維強化樹脂材を作製した（図１参照）。
【００３５】
なお、中間体を形成する際に使用した成形型の加圧面の凹部の表面長さ（積層方向と直交する方向で視た際の成形型の加圧面の凹部の表面上の長さＳ）は、実施例１では40mm（特に凹部高さＨが約17mm、凹部外径Ｔが約φ20mm）であり、実施例２では20mmであった（図２参照）。
【００３６】
＜比較例１の検査用試験体の作製方法＞
次に、比較例１の検査用試験体の作製方法を概説すると、平均繊維長が30mmである炭素繊維からなる繊維束とＰＡ６からなる熱可塑性樹脂材を用意した。次いで、その繊維束と熱可塑性樹脂材を交互に８層積層させて積層体を形成し、加圧ローラを用いてその積層体を所定温度まで加熱しながら所定圧力で加圧した。そして、その積層体を降温させて硬化させて平板状の繊維強化樹脂材を作製した（図５参照）。
【００３７】
＜実施例１、２と比較例１の検査用試験体の曲げ強度の測定結果＞
図４は、実施例１、２および比較例１の各検査用試験体の曲げ強度の測定結果（10回の測定結果を平均した値）を示したものである。
【００３８】
図４で示すように、実施例１、２および比較例１の各検査用試験体の曲げ強度の平均値はそれぞれ、約320MPa、約265MPa、約250MPaであり、実施例１、２の検査用試験体では、比較例１の検査用試験体と比較して曲げ強度が増加することが確認された。また、実施例１および比較例１の検査用試験体の曲げ強度の標準偏差σはそれぞれ、約20MPa、約50MPaであり、実施例１の検査用試験体では、比較例１の検査用試験体と比較して曲げ強度が安定することが確認された。
【００３９】
＜実施例１、２と比較例１の検査用試験体の曲げ強度測定後の外観観察結果＞
また、本発明者等は、曲げ強度測定後の実施例１、２および比較例１の各検査用試験体の外観を目視で観察した。その結果、比較例１の検査用試験体では、繊維束と熱可塑性樹脂材の間に形成された界面、特に検査用試験体の端部近傍での繊維束と熱可塑性樹脂材の界面で層間剥離していることが確認された。一方で、実施例１、２の検査用試験体では、繊維束と熱可塑性樹脂材の界面における層間剥離は確認されなかった。
【００４０】
この実験結果より、凹凸を有する加圧面を備えた第１の成形型を用いて波状の中間体を形成し、凹凸を有しない平坦な加圧面（たとえば平面からなる加圧面）を備えた第２の成形型を用いてその中間体を加圧して繊維強化樹脂材を成形するという極めて簡単な方法によって、繊維束と熱可塑性樹脂材の界面での剥離の発生もしくは進展が抑制され、繊維強化樹脂材の強度が安定して高められることが実証された。
【００４１】
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】
【００４２】
１…繊維束、１ａ…繊維材、２…熱可塑性樹脂材、３…積層体、４…中間体、４ａ…界面、４ｂ…中間体の側面、５…繊維強化樹脂材、Ｋ…成形型（第１の成形型）、Ｋ１…上型、Ｋ１ａ…上型の加圧面、Ｋ２…下型、Ｋ２ａ…下型の加圧面、Ｌ…成形型（第２の成形型）、Ｌ１…上型、Ｌ１ａ…上型の加圧面、Ｌ２…下型、Ｌ２ａ…下型の加圧面（凹部の底面）、Ｌ２ｂ…下型の拘束面（凹部の側面）、Ｌ２ｃ…下型の凹部、Ｓ…表面長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014205300.tif 000005
【図４】
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【図５】
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