(57)【要約】  プレス成形により繊維強化複合材料成形品を製造する方法であって、第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程と、上金型と、前記下金型とを接近させて、前記積層体を挟み込む工程と、挟み込まれた前記積層体を加熱及び加圧することにより、前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程とを含む、方法を提供する。生産性が高い上に、エネルギーロスの少ないプレス成形による繊維強化複合材料成形品の製造方法である。
2017216879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形により繊維強化複合材料成形品を製造する方法であって、
第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程と、
上金型と、前記下金型とを接近させて、前記積層体を挟み込む工程と、
挟み込まれた前記積層体を加熱及び加圧することにより、前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程とを含む、方法。
【請求項２】
第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程において、第一樹脂シートの下に第一離形シート、及び第二樹脂シートの上に第二離形シートをそれぞれ配置する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第一離形シートの下、及び第二離形シートの上にそれぞれ金属板を配置する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属板がいずれもアルミニウム板である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程は、１３０℃〜３００℃の温度で、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａの圧力で、１０分〜６０分間加熱及び加圧することにより、行われる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記上金型及び前記下金型は、いずれも８００℃〜１２００℃で焼き入れされている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形機を用いて、樹脂シートを繊維織布に含浸させることにより、繊維強化複合材料成形品を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた繊維強化複合材料成形品は、前記樹脂を繊維束に含浸・乾燥させて得られるプリプレグを、加熱及び加圧により硬化させることにより、製造することができる。【０００３】
このようなプリプレグを製造する方法としては、繊維織布に樹脂を含浸する方法が挙げられ、例えば、液体状の樹脂に炭素などの繊維織布を浸す方法が用いられ、具体的な方法としては、特許文献１等に記載されている。しかし、この含浸する方法は、手間がかかり、製造量を大きくするためには限界がある。【０００４】
また、プリプレグから、繊維強化複合材料成形品を製造するときは、通常、オートクレーブを用いて、プリプレグを加熱及び加圧する。しかし、生産性の観点からは、プレス成形が望ましいとされているが、プレス成形の技術は確立されていない。また、樹脂材料及び繊維材料から、プレス成形機により直接繊維強化複合材料成形品を製造する方法についてはまだ報告されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７７０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、生産性が高い上に、エネルギーロスの少ないプレス成形による繊維強化複合材料成形品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】
【０００７】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本発明の１つは、プレス成形により繊維強化複合材料成形品を製造する方法であって、第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程と、上金型と、前記下金型とを接近させて、前記積層体を挟み込む工程と、挟み込まれた前記積層体を加熱及び加圧することにより、前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程とを含む、方法。である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の製造方法は、少なくとも２枚の樹脂シートで繊維織布に挟み込み、加熱・加圧することで、樹脂シートの樹脂が繊維織布に浸み込み密着させる工程を含む。したがって、一般的な加熱及び加圧手段であるオートクレーブを用いた成形方法に比べて、短時間で成形できるため、生産性が高く、しかも低エネルギーである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、下金型に積層体２を配置した時の図である。
【図２】図２は、積層体２の構成を示した図である。
【図３】図３は、図１の状態から上金型を降ろして、上金型と下金型でプリプレグを挟み込み、加圧しながら、加熱している状態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明は、発明を実施するための形態の記載に限定されるものではなく、当業者に周知された範囲で適宜設計変更等することが可能である。
【００１１】
［繊維強化複合材料成形品の製造方法について］
本明細書において、繊維強化複合材料成形品は、繊維織布、例えば、カーボンファイバー、カラスファイバー等の繊維織布を、２枚の樹脂シートで挟み込み、加熱及び加圧することで得られるものである。本発明の製造方法によって製造された繊維強化複合材料成形品は、繊維織布の繊維中に樹脂シートの樹脂の少なくとも一部又は全部が浸透している、繊維と樹脂との複合体である。本発明の繊維強化複合材料成形品は、加熱及び加圧により硬化し、一定の形状に形作られるものであるが、選択する樹脂の硬化性又は柔軟性によっては、加熱及び加圧しても硬化しないもの（このようなものは、製品の表面材料として使用する）も、包含するものとする。
【００１２】
また、本発明の製造方法で得られる繊維強化樹脂複合材料成形品には、樹脂及び繊維織布からなる繊維強化樹脂複合材料と、アルミ、鉄、チタン等の金属とを加熱及び加圧して接合させた繊維強化樹脂複合材料・金属一体化成形品を含むものとする。
【００１３】
繊維強化複合材料成形品は、使用する樹脂の種類を適宜選択することにより、航空機、自動車等の部品や、自動車の内装部品、障害者用の福祉機器、車椅子、ＰＣ及びタブレット等の筐体、バック、財布等に使用することができる。
【００１４】
本実施例の製造方法は、図１のようなプレス成形機１により、積層体２を加熱及び加圧することにより成形することができる。図１における積層体２の構成は、図２に示される。
【００１５】
図２の積層体２について説明する。積層体２をプレス成形機１により、加熱及び加圧することで、繊維強化樹脂複合材料成形品を製造することができる。
【００１６】
積層体２は、下から第一アルミニウム板２１、第一離形フィルム２２、第一樹脂シート２３、繊維織布２４、第二樹脂シート２５、第二離形フィルム２６、第二アルミニウム板２７の順で配置されている。
【００１７】
積層体２を形成するために、まず、プレス成形機１に備えられた下金型４の上に、金属板である、第一アルミニウム板２１を配置する。第一アルミニウム板２１の代わりに、鉄、ステンレス等の金属板を用いることができる。第一アルミニウム板２１を設けることで、プレス成形機１により加熱・加圧した直後の積層体２の温度が高い状況でも脱型することができるようになる。また、第一アルミニウム板２１の材料であるアルミニウムは、熱伝導率が高いため、加熱装置によって出された熱を樹脂シートに伝えることができる。第一アルミニウム板２１の厚さは５ｍｍ程度を用いるが、本発明を阻害しない範囲で適宜変更することができる。
【００１８】
次に、第一アルミニウム板２１の上に第一離形フィルム２２を配置する。第一離形フィルム２２の種類は、加熱及び加圧することにより製造される繊維強化複合材料成形品を上金型３又は下金型４から容易に取り外すことができるようにするものである。第一離形フィルム２２は、上記の目的が達成できれば、特に限定されるものではなく、具体的には、東レ株式会社製のトレファン（登録商標）を第一離形フィルム２２として使用することができる。
【００１９】
次に、第一離形フィルム２２の上に、第一樹脂シート２３を配置する。第一樹脂シート２３は、加熱及び加圧により軟化し、繊維織布２４に含浸できるものであれば、特に限定されるものではないが、第一樹脂シート２３は、加熱及び加圧により繊維織布２４に浸透し、かつ密着できるものが好ましい。第一樹脂シート２３は、樹脂がシート状である必要がある。第一樹脂シート２３がシート状でなければ、炭素繊維織布２４の全体的に均一に浸透することができないためである。なお、本明細書、請求の範囲、図面等で用いられる「含浸」とは、加熱及び加圧により、第一樹脂シート２３、第二樹脂シート２５のいずれか一方又は両方の、一部又は全部が繊維織布に入り込んでいる状態である。
【００２０】
第一樹脂シート２３の種類は特に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂でもよいし、熱可塑性樹脂であってもよい。具体的な樹脂の種類は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂等が挙げられるが、なかでも、プレス成形により含浸しやすい樹脂である、ウレタン樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂が好ましく、ウレタン樹脂が最も好ましい。ウレタン樹脂等は、柔軟性を有するため、それを使用する繊維強化複合材料成形品も柔軟性を有することになるため、これらの樹脂を使用した場合は、自動車の内装、かばん、財布、ＰＣの筐体、などに使用することが好ましい。また、含浸時の金型温度である１３０℃〜３００℃にて、軟化して繊維織布に含浸する樹脂であることが好ましい。
【００２１】
第一樹脂シート２３として、ポリウレタン樹脂シートを選択する場合は、柔軟性と剛性とを兼ねそろえたポリウレタン樹脂シートであることが好ましい。特に、柔軟性のある繊維強化樹脂複合材料成形品を製造する場合は、このポリウレタン樹脂シートが、５〜７０ＭＰの引張強度（ＤＩＮ５３５０４）を有することが好ましい。また、８０〜５５０％の引張伸度を有するポリウレタン樹脂シートを用いることが好ましい。
【００２２】
本発明の製造方法に使用できるポリウレタン樹脂シートのポリウレタンを形成するポリイソシアネートとしては、特に限定されるものではないが、２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート、フェニレンジイソシアネート等の芳香族ポリイソシアネート；１，２−エチレンジイソシアネート、１，３−プロピレンジイソシアネート、１，４−ブチレンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート、１，３−シクロヘキサンジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、水添４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート等の脂肪族ポリイソシアネート等が挙げられ、これらは単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２３】
ポリウレタン樹脂シートのポリウレタンを形成するポリオールとしては、特に限定されるものではないが、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール等が挙げられ、応力緩和性や本発明の合わせガラス用中間膜および有機ガラス板に対する接着性等の観点から、ポリエステルポリオールまたはポリエーテルポリオールを用いることが好ましい。これらは単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２４】
ポリウレタン樹脂シートのポリウレタンを形成する鎖伸長剤としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、２，２，２−トリメチルペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、３，３−ジメチロールヘプタン、２−メチル−１，８−オクタンジオール、１，９−ノナンジオール、アルカン（Ｃ７〜２０）ジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ビス（β−ヒドロキシエチル）テレフタレート、キシリレングリコール、ビスフェノールＡ等のジオール類；エチレンジアミン、１，３−プロパンジアミン、１，３−または１，４−ブタンジアミン、１，６−ヘキサメチレンジアミン、１，４−シクロヘキサンジアミン、イソホロンジアミン、４，４’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、１，３−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、ヒドラジン、トリレンジアミン、キシレンジアミン、アジピン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド等のジアミン類；アミノエチルアルコール、アミノプロピルアルコール等のアミノアルコール類等が挙げられ、これらは単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２５】
ポリウレタン樹脂シートは、ショアＡ硬度が７０〜１００であることが好ましい。
【００２６】
また、ポリウレタン樹脂シートは、意匠性の観点から、透明性の高いものであることが好ましい。
【００２７】
ポリウレタン樹脂シートとしては、市販品を用いてもよく、例えば、シーダム株式会社製ポリウレタンフィルム「ハイグレスＤＵＳ４５１」、「ハイグレスＤＵＳ６０５」、「ハイグレスＤＵＳ７０１」、ハンツマン社製熱可塑性ポリウレタンフィルム「ＫｒｙｓｔａｌＦｌｅｘＰＥ１９２」、「ＫｒｙｓｔａｌＦｌｅｘＰＥ１９３」、「ＫｒｙｓｔａｌＦｌｅｘＰＥ３９９」、バイエルマテリアルサイエンス社製熱可塑性ポリウレタンフィルム「Ａ４７００」等が挙げられる。ポリウレタン樹脂シートの引張強度は、４０〜６０Ｍａが好ましく、引張伸度は、３５０〜５００％が好ましい。
【００２８】
次に第一樹脂シート２３の上に繊維織布２４（実施例では炭素繊維織布２４）を配置する。繊維織布２４は、３〜３０μｍの断面直径を有する長繊維の集合体であり、密度１．７４〜１．９５ｇ／ｃｍ３程度である。また、フィラメント数は特に限定されるものではないが、１ｋ（１０００フィラメント）、３ｋ（３０００フィラメント）、６ｋ（６０００フィラメント）が好ましい。
【００２９】
炭素の繊維織布２４としては、得られる繊維強化樹脂成形品の意匠性を向上させるため、織られている繊維織布が好ましく、織り方としては、平織、綾織が挙げられる。具体的には、東レ株式会社製トレカ（登録商標）のクロス、三菱レイヨン株式会社製パイロフィル（登録商標）のクロスなどが挙げられる。
【００３０】
また、繊維織布２４は一枚でも使用できるが、必要により、複数枚、具体的には２枚〜５枚重ねて使用することもできる。また、繊維織布２４の素材は、炭素に限定されるものではなく、ガラス繊維織布、高分子材料等の繊維織布も使用することができる。
【００３１】
次に繊維織布２４の上に、第二樹脂シート２５を配置する。第二樹脂シート２５は、第一樹脂シート２３と同一のものでも、異なったものでもよい。第二樹脂シート２５として使用できる樹脂は、第一樹脂シート２３と同様のものが挙げられ、第二樹脂シート２５としては、第一樹脂シート２３と同様に、ポリウレタン樹脂シートが好ましい。
【００３２】
次に第二樹脂シート２５の上に、第二離形フィルム２６を配置する。第二離形フィルム２６は、第一離形フィルム２２と同じであっても、異なっていてもよいが、第一離形フィルム２２と同一のものを用いることが好ましい。第二離形フィルム２６の種類としては、第一離形フィルム２２と同じものが挙げられ、適宜選択して用いることができる。
【００３３】
次に第二離形フィルム２６の上に、第二アルミニウム板２７を配置する。第二アルミニウム板２７は、第一アルミニウム板２１と同じであっても、異なっていてもよいが、第一アルミニウム板２１と同一のものを用いることが好ましい。第二アルミニウム板２７の種類としては、第一アルミニウム板２１と同じものが挙げられ、適宜選択して用いることができる。
【００３４】
このように、積層体２は、第一アルミニウム板２１、第一離形フィルム２２、第一樹脂シート２３、炭素繊維織布２４、第二樹脂シート２５、第二離形フィルム２６、第二アルミニウム板２７により構成され、下金型４の上に配置されている（図１参照）。なお、上記した説明のように、積層体２は、構成物を下金型４の上に順に配置してもよいし、積層体２を形成してから、その積層体２を下金型４の上に配置してもよい。
【００３５】
本発明の製造方法によれば、接着剤及び接着シートを用いなくても、第一樹脂シート２３及び第二樹脂シート２５が十分に繊維織布２４に浸透することができるため、得られる繊維強化樹脂複合材料成形品は、高い接着力を有し、繊維織布２４から第一樹脂シート２３及び第二樹脂シート２５が剥がれにくい。しかし、接着剤又は接着シートの使用を排除するものではなく、必要により接着剤又は接着シートを使用してもよい。接着剤又は接着シートを使用する場合は、第一樹脂シート２３と炭素繊維織布２４の間、及び、炭素繊維織布２４と、第二樹脂シート２５との間に、接着剤を塗布するか、接着シートを配置することができる。
【００３６】
次にプレス成形機１による、プレスについて説明する。プレス成形は、上金型３及び下金型４を備えるプレス成形機１を使用する。プレス成形機１は、上金型３を上下可動でき、上金型３と、下金型４との間にある物を圧縮（プレス）することができる。プレス成形機１は、上金型加熱部６、下金型加熱部７を備え、上金型３、下金型４をそれぞれ加熱することができる。
【００３７】
まず、積層体２を配置した下金型４、及び上金型３を、それぞれ１３０℃〜３００℃程度に加熱する。なお、繊維強化樹脂複合材料成形品ではなく、繊維強化複合材料・金属一体化成形品を製造する場合は、積層体２の下に、シート状の鉄、アルミニウム、チタン等の金属を配置させる。加熱及び加圧は、通常、空気中で行うことができるが、窒素等の不活性ガス中でも行うことができる。
【００３８】
そして、上金型３を下方に移動させて、積層体２を上金型３のプレス面と、下金型４のプレス面とで挟み込み、加圧する。材料から直接、繊維強化樹脂複合材料成形品を製造する場合は、圧力は２０ＭＰａ〜４０ＭＰａ程度である。プレス時間は１０分〜６０分程度である。なお、この時の状態を図３で示す。
【００３９】
上記の加圧及び加熱により、第一樹脂シート２３及び第二樹脂シート２５が軟化し、炭素繊維織布２４に含浸され、繊維強化複合材料成形品が製造される。
【００４０】
加熱・加圧後は、上金型３を退避させ、加熱・加圧済の積層体２を脱型することができる。
【００４１】
［金型について］
下金型４及び上金型３は、それぞれプレス面を有しており、プレス面で積層体２を挟み込み、加熱及び加圧することにより、繊維強化複合材料成形品が製造される。下金型４及び上金型３の材料は特に限定されるものではないが、鉄又は鉄を含む合金が好ましく、特にステンレスが好ましい。
【００４２】
下金型４及び上金型３は、初めて使用する際には、８００℃〜１２００℃で焼き入れする方が好ましい。焼き入れをすることで、線膨張率を抑えることができる。線膨張率を抑えることで、炭素繊維織布２４の意匠性を維持しながら、繊維強化複合材料成形品を製造することができる。
【００４３】
また、本発明の製造方法によれば、繊維強化複合材料成形品は、板状の繊維強化複合材料成形品だけではなく、波状や折れ曲がった繊維強化複合材料成形品も制作することが可能である。
【実施例】
【００４４】
図１で説明したプレス成形機の下金型４の上に、５ｍｍの厚さを有する第一アルミニウム板２１、第一離形フィルム２２として東レ株式会社製トレファン（登録商標）、第一樹脂シート２３としてシーダム株式会社製ポリウレタンフィルム「ハイグレスＤＵＳ７０１ＣＲ」、繊維織布２４として、炭素繊維織布である、東レ株式会社製トレカ（登録商標）のクロス、第二樹脂シート２５としてシーダム株式会社製ポリウレタンフィルム「ハイグレスＤＵＳ７０１ＣＲ」、そして、第二離形フィルム２６として東レ株式会社製トレファン（登録商標）、そして５ｍｍの厚さを有する第二アルミニウム板２７をこの順に配置し、上金型３及び下金型４の温度を１４０℃にし、圧力３０ＭＰに設定し、上金型３と下金型４とで積層体を挟み込み、加圧する。雰囲気は、空気中であった。３分間保持後、上金型３を上昇させた。下金型４の温度が８０℃になった時点で、積層体である繊維強化複合材料成形品を取り除いた。室温にまで冷却した積層体２は、繊維強化複合材料成形品になっており、ポリウレタン樹脂シートは、接着剤又は接着シートがなくても、炭素繊維織布に十分に接着していた。【００４５】
以下、本実施例の効果について説明する。
［１］繊維強化複合材料成形品のプレス成形により製造する方法であって、第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程と、上金型と、前記下金型とを接近させて、前記積層体を挟み込む工程と、挟み込まれた前記積層体を加熱及び加圧することにより、前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程とを含む、方法は、樹脂シートを加熱及び加圧することにより、簡便に樹脂を繊維織布に含浸することができる。その上、樹脂シート及び繊維織布という繊維強化複合材料成形品の材料から、直接繊維強化複合材料成形品を製造することもできる。【００４６】
［２］前記［１］の方法において、第一樹脂シート、繊維織布、及び第二樹脂シートをこの順で重ねた積層体を下金型の上に配置する工程において、第一樹脂シートの下に第一離形シート、及び第二樹脂シートの上に第二離形シートをそれぞれ配置する場合は、加熱及び加圧工程の後に、容易に金型から加熱及び加圧済の積層体を取り除くことができる。【００４７】
［３］前記［２］の方法において、第一離形シートの下、及び第二離形シートの上にそれぞれ金属板を配置する場合は、加熱及び加圧工程の後に、さらに容易に金型から加熱及び加圧済の積層体を取り除くことができる。すなわち、上記のように金属板を使用することで、離形シートは金属板に貼りつくことがないため、加熱及び加圧した直後の温度が高い状態でも、脱型することができる。【００４８】
［４］前記［３］の方法において、前記金属板がいずれもアルミニウム板である場合は、熱伝導率が高い上に、軽量でしかも安価であるため、経済的価値が高い。【００４９】
［５］前記［１］乃至［４］の方法において、前記シートの樹脂を繊維織布に含浸させる工程は、１３０℃〜３００℃の温度で、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａの圧力で、１０分〜６０分間加熱及び加圧することにより、行われる場合は、樹脂シートを適切な温度及び圧力にすることにより、簡便に樹脂を繊維織布に含浸することができる。【００５０】
［６］前記［１］乃至［５］の方法において、前記上金型及び前記下金型は、いずれも８００℃〜１２００℃で焼き入れされている場合は、金型の線膨張率を抑えることができる。線膨張率を抑えることで、炭素繊維織布の意匠性を維持しながら、繊維強化複合材料成形品を製造することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１    プレス成形機
２    積層体
２１  第一アルミニウム板
２２  第一離形フィルム
２３  第一樹脂シート
２４  繊維織布
２５  第二樹脂シート
２６  第二離形フィルム
２７  第二アルミニウム板
３    上金型
４    下金型
５    金型把持部
６    上金型加熱部
７    下金型加熱部
【図１】
2017216879.tif 000003
【図２】
2017216879.tif 000004
【図３】
2017216879.tif 000005
【国際調査報告】
2017216879.tif 000006
2017216879.tif 000007
2017216879.tif 000008
2017216879.tif 000009