(57)【要約】【課題】  強化繊維のスプリングバックを利用することなく、すなわち抄造技術による不織布シートを必要としない多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルとその製造方法を提供すること【解決手段】  強化繊維のチョップド糸と熱可塑性樹脂を交互堆積もしくは混合させてなるランダムマット基材に対し、ダブルベルトプレス内で加熱加圧し樹脂含浸させた後、樹脂を溶融させた状態で解圧し、プレスを所定のクリアランスまで徐々に開くことで、含侵されたランダムマット基材が、中立面を起点に剥離し、樹脂が強化繊維を伴いつつ、糸を引きながら伸長変形をし、その状態で冷却固化を行うことを特徴とする、板状の多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルの製造方法【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維チョップド糸が熱可塑性樹脂により結着され網目状に形成された板状の多孔性熱可塑複合材料であって、前記板状の多孔性熱可塑複合材料の厚さ方向に対する中立面を交差する前記強化繊維が、前記中立面に対して６０°から９０°（ただし前記中立面の面内方向を０°、垂線方向を９０°とする）の角度範囲内に３０重量％以上存在することを特徴とする、板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項２】
前記中立面に対して７５°から９０°の角度範囲内に、前記中立面を交差する前記強化繊維が５０重量％以上存在することを特徴とする請求項１に記載の板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項３】
前記板状の多孔性熱可塑複合材料の少なくとも一方の表面にスキン層を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項４】
前記板状の多孔性熱可塑複合材料の少なくとも一方の表面に、さらに強化繊維からなる布帛を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項５】
強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項６】
前記板状の多孔性熱可塑複合材料の内部に充填剤を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の板状の多孔性熱可塑複合材料。
【請求項７】
強化繊維チョップド糸と熱可塑性樹脂を交互堆積もしくは混合させてなるランダムマット基材を、ダブルベルトプレス内で前記熱可塑性樹脂の融点以上まで加熱するとともに加圧して前記熱可塑性樹脂を含浸させた後、前記熱可塑性樹脂が溶融した状態で解圧し、前記ダブルベルトプレスの一方のベルトを所定のクリアランスまで開き、前記強化繊維チョップド糸の少なくとも一部を網目状とした状態で冷却固化を行うことを特徴とする板状の多孔性熱可塑複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリックスとする多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた熱可塑複合材料は、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用され、なかでも、超軽量を求める部材の素材として、多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルが広く利用されている。
【０００３】
熱可塑性樹脂をマトリックスとする多孔性熱可塑複合材料の製造方法として、抄造技術により作られた強化繊維からなる不織布シートと熱可塑性樹脂の混合体を、熱可塑性樹脂を溶融させた状態で加圧、解圧し、強化繊維のスプリングバックにより膨張させ、冷却固化し、板状体を取り外す手法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に開示された技術では、不織布シートの両面に板状体を重ねるとともに、膨張をある程度拘束することで、外観や内部の機械的性質を向上させた多孔性熱可塑複合材料を生産することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１３４８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されるような、強化繊維のスプリングバックを利用する多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルの製造方法は、事前に、抄造技術を用いて強化繊維からなる不織布シートを作る必要がある。抄造技術は、液体中に強化繊維を均一に分散させた後に、紙漉きの要領でシートを製造する技術であり、製造時間と労力が多くかかるという問題があった。
そこで本発明の課題は、強化繊維のスプリングバックを利用することなく、すなわち抄造技術による不織布シートを必要としない多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために本発明の多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルは、以下の構成を採用する。すなわち、強化繊維チョップド糸が熱可塑性樹脂により結着され網目状に形成された板状の多孔性熱可塑複合材料であって、前記板状の多孔性熱可塑複合材料の厚さ方向に対する中立面を交差する前記強化繊維が、前記中立面に対して６０°から９０°（ただし前記中立面の面内方向を０°、垂線方向を９０°とする）の角度範囲内に３０重量％以上存在することを特徴とする、板状の多孔性熱可塑複合材料である。
【０００８】
また、上記課題を達成するために本発明の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法は、以下の構成を採用する。すなわち、強化繊維チョップド糸と熱可塑性樹脂を交互堆積もしくは混合させてなるランダムマット基材を、ダブルベルトプレス内で前記熱可塑性樹脂の融点以上まで加熱するとともに加圧して前記熱可塑性樹脂を含浸させた後、前記熱可塑性樹脂が溶融した状態で解圧し、前記ダブルベルトプレスの一方のベルトを所定のクリアランスまで開き、前記強化繊維チョップド糸の少なくとも一部を網目状とした状態で冷却固化を行うことを特徴とする板状の多孔性熱可塑複合材料の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、抄造技術による不織布シートを必要としない多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルとその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施態様に係る、多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルの概略図であり（ａ）概略斜視図（ｂ）断面図、をそれぞれ示す。
【図２】本発明の一実施態様に係る、多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルの製造に使用するダブルベルトプレス装置の概略図を示す。
【図３】本発明の一実施態様に係る、多孔性熱可塑複合材料からなるサンドイッチパネルの製造法の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。
【００１２】
板状の多孔性熱可塑複合材料１の一例として、図１に示すように、スキン層１１と中央部１２で構成されたサンドイッチパネルを示す。
【００１３】
多孔性熱可塑複合材料１のスキン層１１は、後述するプレス条件によって、チョップド糸の一部が網目状にならず緻密化した部分を指す。このような緻密化した部分を残すことでスキン層１１を形成することもできるが、ダブルプレスベルト表面近傍まで網目状に形成される場合はスキン層１１に相当する層が形成されないこともある。
【００１４】
また、スキン層１１は後述のダブルベルトプレス２のプレス面を転写させることができる。プレス面は平滑面が望ましいが、粗面であってもよい。
【００１５】
スキン層１１の繊維堆積含有率は、多孔性熱可塑複合材料の中央部１２と比較して高いことが、機械的特性上、望ましい。また、スキン層１１の機械的特性を向上させるために、スキン層１１の表面に布帛を付加させてもよい。布帛は連続繊維からなるテープ状物、織物等が例示できるが、特に限定するものではない。
【００１６】
多孔性熱可塑複合材料１の中央部１２は、強化繊維のチョップド糸（短繊維）が網目状、すなわち三次元的なネットワークを形成しつつ、お互いの交点が熱可塑性樹脂により強固に結合された網目状構造を持つことを特徴とする。図１の（ｂ）のＡＡ’線は多孔性熱可塑複合材料１の中立面を示す。中立面を交差する強化繊維が、中立面に対して６０°から９０°（ただし前記中立面の面内方向を０°、垂線方向を９０°とする）の角度範囲内に３０重量％以上存在することが必須である。また、中立面に対して７５°から９０°の角度範囲内に、中立面を交差する強化繊維が５０重量％以上存在することがより好ましい。網目状構造を形成した後の工程で、網目状構造の内部に充填剤を入れ込むことも可能である。充填材としては、断熱や吸音性能を向上させるために、発泡ウレタンなどの薬液を流し込むことが望ましい態様である。
【００１７】
多孔性熱可塑複合材料１の原料となる基材６は、強化繊維束と熱可塑性樹脂から構成される。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。基材６に含まれる強化繊維束の幅は０．０５ｍｍから５ｍｍが好ましく、強化繊維束をランダムに１００本採取して、その繊維長を測定した時の平均繊維長は３ｍｍから１００ｍｍが好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が利用できる。熱可塑性樹脂の形態としては、粉粒体状又は短繊維状が好ましい。添加剤としては、例えば、ＣｕＩ（ヨウ化銅）、芳香族ナイロン、エアロゲルなどが利用でき、結晶化度、融点、固化温度、固化速度、分子運動性、分子量、光耐久性、薬品耐久性、強度、剛性、難燃性、電波吸収性、音波吸収性、チキソトロピー、導電性、等を変化させることができる。例えば、屋外環境に暴露される成形品の場合には、光耐久性や、薬品耐久性を向上させる添加剤が好ましく、例えば、耐雷性を求められる航空機の部材の場合には、導電性を向上させる添加剤が好ましい。強化繊維と熱可塑性樹脂は交互に層状に堆積させても良いし、混合させても良い。基材６のＶｆは５％から７０％が好ましく、２０％から５０％がより好ましい。
【００１８】
含浸基材７は、基材６に含まれる熱可塑樹脂を熱と圧力により強化繊維内に含浸させたものである。熱可塑性樹脂の未含浸部分や、大規模な樹脂リッチ部分（強化繊維束が存在しない部分）がなく、均一に含浸されていることが望ましい。目付のばらつきや繊維方向のばらつきのＣＶ値を６％以下にすることが望ましい。
【００１９】
次に、多孔性熱可塑複合材料１を得るための製造装置について説明する。図２に装置外略図を示す。
【００２０】
ダブルベルトプレス２は、上ベルト２１、下ベルト２２、下ベルト延長部２３、加熱部３、テーパー部４、冷却部５とから構成される。
【００２１】
上ベルト２１、下ベルト２２はともに一対の回転ドラムにより張設されている。ベルトはスチール等の金属製が望ましいが、加熱温度に耐えうるものであれば、樹脂製でもよく、多孔性熱可塑複合材料１との接着性や離型性を考慮し、テフロン（登録商標）やシリコンなどのコーティングを施すことも可能である。また、平滑面や粗面など、目的とする成形品の外観に応じて、ベルト表面の状態を変化させることも可能である。下ベルト２２は、入口側に延長することも、出口側に延長することもできる。
【００２２】
下ベルト延長部２３は、基材６を導入するためのスペースであり、事前に製造した基材６を順次導入しても良く、また基材６を製造する装置を下ベルト延長部２３の上方に設置し、連続生産することも可能である。
【００２３】
加熱部３は適切に加熱できれば、特に機構および形態を限定するものではない。加熱機構としては、例えば、電熱線や電磁誘導や高温流体やマイクロ波等を利用することができ、特に制御の簡便性や安全性が高いものとして、熱風を利用することが好ましい。
【００２４】
テーパー部４は、冷却部側のプレス間クリアランスが、加熱部側のプレス間クリアランスより、広くなるように設定されたものである。熱可塑性樹脂の種類や多孔性熱可塑複合材料１の厚み、またベルト運転速度に応じて、テーパー部４の傾きを変えることが好ましい。テーパー部４でクリアランスが広がることで、含浸基材７中の強化繊維を三次元的なネットワーク状に形成することができる。
【００２５】
冷却部５は三次元的なネットワークが形成された含浸基材７を適切に冷却できれば、特に機構および形態を限定するものではない。冷却機構としては、例えば、低温流体を利用することができ、特に取扱いの簡便性や冷却能力が高いものとして、水を利用することが好ましい。
【００２６】
続いて、本発明に係る板状の多孔性熱可塑複合材料１の製造方法の一例について、説明する。
【００２７】
最初に、図３に示すように、下ベルト延長部２３上に基材６を準備する。上ベルト２１と下ベルト２２を連動運転させることで、基材６をダブルベルトプレス２に導入する。この際、導入をしやすくするために、上ベルト２１の入口部のクリアランスを広くとることも望ましい態様である。ダブルベルトプレス２に導入された基材６は、加熱部３により熱可塑性樹脂が溶融するまで加熱される。溶融した熱可塑性樹脂はプレス圧力により、強化繊維内に含浸され、含浸基材７となる。
【００２８】
含浸基材７は、テーパー部４において、圧力が解放されるとともに、徐々に厚み方向に広げられる。このとき、含浸基材７の内部温度は勾配が生じ、厚さ方向における中央部と比較してベルト表面に接触している部分のほうが低温となる。これは、冷却部５でベルトが冷やされるためである。この温度勾配により、ベルト表面近傍の含侵基材７中の熱可塑性樹脂粘度が上昇し、ベルトとの接着力が上昇する。また、含浸基材７中の厚さ方向における中央部の温度は比較的高温を維持するため、樹脂粘度が相対的に小さくなる。この状態で、テーパー部４で含侵基材７が厚み方向に広げられると、厚さ方向における中央部から剥離が生じ、熱可塑性樹脂が強化繊維を伴いつつ、糸状の熱可塑性樹脂を引きながら伸長変形される。このとき、熱可塑性樹脂と強化繊維にかかる力の向きは、ベルトの法線方向となる。このため、伸長変形された強化繊維の向きは、徐々に法線方向に準じた向きに揃うように配向され、三次元的なネットワーク形状となる。
【００２９】
続いて、冷却部５において、含侵基材７は冷却固化され、多孔性熱可塑複合材料１となる。冷却条件によっては、図３に示すように、ベルト表面近傍の強化繊維は配向が変わらず、緻密なスキン層１１が形成される。この時、多孔性熱可塑複合材料１が反らないように、上下面の冷却温度と速度を同一にすることが望ましい。
【００３０】
このように、本発明に係る本発明に係る多孔性熱可塑複合材料およびその製造方法によれば、強化繊維のスプリングバックを利用することなく、すなわち抄造技術による不織布シートを必要としないため、従来よりも生産性を大幅に向上し、短時間のうちに製品を製造することができるとともに、製造コストを低減させることができる。
【００３１】
図３に示す方法以外にも、下ベルト延長部２３上に基材６を配置する際、基材６の少なくとも一方の表面に、連続繊維からなるテープ状物、織物等の布帛をあらかじめ配置した上で、ダブルベルトプレス２に導入することも可能である。この場合、布帛がスキン層１１を補強する補強材として作用し、所望の曲げ強度や曲げ弾性率を実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る多孔性熱可塑複合材料およびその製造方法を用いることにより、実質的にあらゆる多孔性熱可塑複合材料の製造に適用可能であり、とくに、航空機や建材に適用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１  多孔性熱可塑複合材料
１１  スキン層
１２  中央部
２  ダブルベルトプレス
２１  上ベルト
２２  下ベルト
２３  下ベルト延長部
３  加熱部
４  テーパー部
５  冷却部
６  基材
７  含浸基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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