(57)【要約】      （修正有）【課題】製造工程を簡略化することができ、さらに表面性状も良好な繊維強化複合材料積層体の提供。【解決手段】繊維強化複合材料積層体１０は、発泡樹脂を含有する芯部１と、炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を有し、芯部１の表面に密着される表層部２とを備える。そして、芯部１と表層部２とが密着していない状態における芯部１の発泡樹脂は、算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であり、かつ、表面のセルの最大径が０．６ｍｍ以下である積層強化複合材料積層体１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡樹脂を含有する芯部と、
炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を有し、前記芯部の表面に密着される表層部と、
を備え、
前記芯部と前記表層部とが密着していない状態における前記芯部の発泡樹脂は、算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であり、かつ、表面のセルの最大径が０．６ｍｍ以下である、繊維強化複合材料積層体。
【請求項２】
前記芯部と前記表層部とが密着していない状態において、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎと前記芯部の算術平均粗さＲａとの関係が、Ｗｒｅｓｉｎ≧６．１０Ｒａを満たす、請求項１に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項３】
前記芯部と前記表層部とが密着していない状態における、前記芯部の発泡樹脂の算術平均粗さＲａが４μｍ以上である、請求項１又は２に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項４】
前記芯部の発泡樹脂が非晶性高分子からなり、
前記芯部の発泡樹脂のガラス転移温度が、前記芯部と前記表層部とを密着させるための成形温度よりも１８度以上高い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項５】
前記芯部の発泡樹脂が結晶性高分子からなり、
前記芯部の発泡樹脂の融点が、前記芯部と前記表層部とを密着させるための成形温度よりも６５度以上高い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項６】
前記芯部と前記表層部との間に存在する浸透防止層をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項７】
前記浸透防止層は熱硬化性樹脂を含み、
前記浸透防止層を構成する熱硬化性樹脂の前駆体は、前記芯部と前記表層部とを密着させるための成形温度における、前記表層部を構成する熱硬化性樹脂の前駆体の硬化時間よりも短時間で硬化する、請求項６に記載の繊維強化複合材料積層体。
【請求項８】
前記浸透防止層は熱可塑性樹脂を含み、
前記浸透防止層の融点が、前記芯部と前記表層部とを密着させるための成形温度よりも６５度以上高い、請求項６に記載の繊維強化複合材料積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
表皮材と発泡樹脂からなる繊維強化複合材料積層体は、一般的に軽量性、剛性、断熱性に優れている。そのため、従来より、フロアパネル、ルーフパネル、ドアパネル等の車両用外板パネルに使用されている。このような積層体としては、例えば、内部が中空に形成されたパネル本体に発泡樹脂を充填した複合パネルや、表皮と発泡樹脂を個別に成形し、接合する複合パネルが知られている。
【０００３】
特許文献１では、内部が中空に形成されたパネル本体と、該パネル本体の内面に接合された不織布と、該パネル本体の内部に充填された樹脂製の発泡体とを具備するパネルが開示されている。そして、当該パネルでは、パネル本体の内面に接合された不織布のアンカー効果によって、発泡体がパネル本体の内面に強固に接合されている。このパネルでは、パネル本体が繊維によって強化された樹脂よりなるため、パネル本体の剛性と強度が高められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−８２９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のパネルは、まず、中空形状のパネル本体を成形した後、パネル本体の内部に液状の発泡体原料を注入して発泡させることにより、発泡体を充填している。そのため、パネル本体を成形する工程と、発泡体原料を注入して発泡させる工程が必要となることから、製造工程が複雑になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、製造工程を簡略化することができ、さらに表面性状も良好な繊維強化複合材料積層体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る繊維強化複合材料積層体は、発泡樹脂を含有する芯部と、炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を有する表層部とを備え、発泡樹脂は、算術平均粗さＲａ及び表面のセルサイズが所定値を満たす。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、製造工程を簡略化することができ、さらに表面性状も良好な繊維強化複合材料積層体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材料積層体を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材料積層体において、芯部の表面に表層部を密着させる前の状態を示す斜視図である。
【図３】図３は、芯部の表面に表層部を密着させる前の状態において、熱硬化性樹脂前駆体が発泡樹脂のセルに浸入する様子を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の他の実施形態に係る繊維強化複合材料積層体を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、実施例１における、芯部を構成する発泡樹脂の算術平均粗さＲａと表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎとの関係を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、実施例１において、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが３６０ｇ／ｍ２であり、芯部の算術平均粗さＲａが５９．０μｍの場合に得られた繊維強化複合材料積層体の表面を示す写真である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施例１において、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが１２０ｇ／ｍ２であり、芯部の算術平均粗さＲａが５９．０μｍの場合に得られた繊維強化複合材料積層体の表面を示す写真である。
【図７】図７は、実施例２における、芯部を構成する発泡樹脂の算術平均粗さＲａと表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎとの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、セル最大径が１．５ｍｍである発泡樹脂を使用した繊維強化複合材料積層体の表面を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る繊維強化複合材料積層体について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１１】
本実施形態に係る繊維強化複合材料積層体１０は、発泡樹脂を含有する芯部１と、炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を有し、さらに芯部１の表面に密着される表層部２とを備えている。図１に示すように、表層部２は芯部１の上面及び下面に接合されており、２枚の表層部２で芯部１を挟み込むように積層されている。
【００１２】
図１に示すように、芯部１は、発泡樹脂を含有する平板からなることが好ましい。ただ、繊維強化複合材料積層体１０の軽量化のために、芯部１は発泡樹脂からなる平板であることが好ましい。
【００１３】
芯部１を構成する発泡樹脂は、複数のセル（気泡）を有する多孔質体であれば特に限定されない。発泡樹脂は、例えば、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、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、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも一つの樹脂からなる発泡体を用いることができる。
【００１４】
表層部２は、炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を備える平板からなる。具体的には、表層部２は、炭素繊維の束により構成される繊維層と、繊維層に含まれ、熱硬化性樹脂よりなるマトリックス樹脂とを有する炭素繊維強化プラスチックからなる。
【００１５】
表層部２を構成する炭素繊維は特に限定されず、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維及びレーヨン系炭素繊維からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。また、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂も特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン、シリコーン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
【００１６】
炭素繊維の束により構成される繊維層の形態は特に限定されず、織物や一方向シートなどを採用することが可能である。また、表層部２では、繊維層を複数積層してもよい。この際、炭素繊維の繊維方向が同じである一方向積層であってもよく、炭素繊維の繊維方向が異なるクロスプライ積層であってもよい。繊維層を複数積層することにより、繊維層に保持されるマトリックス樹脂を増加させることが可能となる。
【００１７】
後述するように、繊維強化複合材料積層体１０は、重合反応により表層部２を形成する表層部前駆体２Ａと芯部１とを、図２に示すように積層した後、表層部前駆体２Ａと芯部１の積層方向に沿って加圧しながら加熱することにより得ることができる。また、表層部前駆体２Ａとしては、予め炭素繊維に熱硬化性樹脂の前駆体を含浸し、半硬化状態に留めたプリプレグを用いることができる。そのため、繊維強化複合材料積層体１０は、簡易な方法で製造することができる。
【００１８】
ここで、図３に示すように、芯部１と表層部２と密着していない状態において、表層部前駆体２Ａと接触する芯部１の表面１ａには、複数のセル（気泡）１ｂが存在している。そして、表層部前駆体２Ａの内部に保持されている熱硬化性樹脂前駆体３は、重合する前は流動性を有している。つまり、熱硬化性樹脂前駆体３は加熱により一旦溶融するため流動性が生じ、その後に重合反応が進行することにより、硬化する。そのため、表層部前駆体２Ａと芯部１の表面１ａとを接触させて積層方向Ｌに沿って加圧しながら加熱した場合、表層部前駆体２Ａの内部の熱硬化性樹脂前駆体３が流動し、表層部前駆体２Ａからセル１ｂの内部に浸入してしまう。
【００１９】
この際、表面１ａのセル１ｂの深さが大きい場合、表層部前駆体２Ａからセル１ｂに多量の熱硬化性樹脂前駆体３が浸入してしまい、表層部前駆体２Ａのセル１ｂに対向する部位２ａにおいて、熱硬化性樹脂前駆体３の含有量が過少となってしまう。この状態で熱硬化性樹脂前駆体３を加熱して硬化させた場合、表層部前駆体２Ａの部位２ａは他の部位と比較して熱硬化性樹脂が欠損しているため、表層部２の表面２ｂに斑点状の模様が発生し、樹脂枯れと呼ばれる外観不良を引き起こしてしまう。また、表層部２において樹脂枯れが発生した部位は、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂が欠損しているため強度が低下し、当該部位を起点として繊維強化複合材料積層体の破損が発生する可能性がある。
【００２０】
そのため、本実施形態の繊維強化複合材料積層体１０において、芯部１と表層部２とが密着していない状態における芯部１の発泡樹脂は、算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であることが好ましい。芯部１の表面１ａの算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であることにより、表面１ａの表面に存在するセル１ｂの深さが減少する。そのため、表層部前駆体２Ａの内部に保持されている熱硬化性樹脂前駆体３は、セル１ｂの内部に浸入し難くなることから、熱硬化性樹脂前駆体３の含有量が過少となる部位２ａを少なくすることができる。その結果、表層部２の表面２ｂにおける樹脂枯れを抑制し、繊維強化複合材料積層体１０の外観を良好にすることが可能となる。なお、本明細書において、芯部１の算術平均粗さＲａは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２０１３（製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ）に基づき測定することができる。
【００２１】
さらに、芯部１と表層部２とが密着していない状態における芯部１の発泡樹脂は、表面１ａのセルの最大径が０．６ｍｍ以下であることが好ましい。具体的には、芯部１の表面１ａを、芯部１と表層部２（表層部前駆体２Ａ）との積層方向Ｌから観察した場合、芯部１の表面１ａに存在する複数のセル１ｂの最大径が０．６ｍｍ以下であることが好ましい。セル１ｂの最大径が０．６ｍｍ以下であることにより、熱硬化性樹脂前駆体３はセル１ｂの内部に浸入し難くなるため、熱硬化性樹脂前駆体３の含有量が過少となる部位２ａが減少し、樹脂枯れを抑制することが可能となる。なお、芯部１の表面１ａにおけるセル１ｂの最大径は、芯部１の表面１ａを顕微鏡観察することにより測定することができる。
【００２２】
上述のように、芯部１の表面１ａに存在する複数のセル１ｂの最大径が０．６ｍｍ以下であることにより、熱硬化性樹脂前駆体３がセル１ｂの内部に浸入し難くなるため、表層部２の樹脂枯れを抑制することが可能となる。そのため、芯部１における表層部２と密着する表面１ａ以外のセルの最大径は０．６ｍｍ以下である必要はない。つまり、芯部１は、表面１ａ以外のセルを大きくして軽量化を図ってもよく、さらに表面１ａ以外のセルを小さくして強度を高めてもよい。
【００２３】
ここで、芯部１と表層部２とが密着していない状態において、表層部前駆体２Ａに含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎと芯部１の算術平均粗さＲａとの関係が、Ｗｒｅｓｉｎ≧６．１０Ｒａを満たすことが好ましい。「表層部前駆体２Ａに含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎ」とは、表層部前駆体２Ａに含まれている熱硬化性樹脂前駆体と、当該熱硬化性樹脂前駆体が部分的に重合してなる樹脂との合計量をいう。また、「樹脂量Ｗｒｅｓｉｎ」は、表層部前駆体２Ａにおいて、表面２ｂの単位面積当たりの樹脂量（ｇ／ｍ２）をいう。表層部前駆体２Ａに含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎと、芯部１の表面１ａにおける算術平均粗さＲａとが上記関係を満たすことにより、表層部前駆体２Ａからセル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入したとしても、部位２ａの樹脂枯れが抑制される。つまり、セル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入した場合でも、表層部前駆体２Ａに熱硬化性樹脂前駆体３が十分に残存するため、樹脂枯れを抑制し、繊維強化複合材料積層体１０の外観を良好にすることが可能となる。
【００２４】
芯部１と表層部２とが密着していない状態における、芯部１の発泡樹脂の算術平均粗さＲａの下限は特に限定されないが、当該発泡樹脂の算術平均粗さＲａは４μｍ以上であることが好ましい。芯部１の発泡樹脂の算術平均粗さＲａが４μｍ以上であることにより、芯部１の表面１ａにおいて、熱硬化性樹脂前駆体３が浸入するセルが減少するため、表層部前駆体２Ａの樹脂枯れを抑制することができる。ただ、芯部１のセル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入した状態で硬化した場合、熱硬化性樹脂がセル１ｂの内面に係合する。このような熱硬化性樹脂によるアンカー効果により、芯部１と表層部２は強固に接合することから、芯部１の表面１ａには適度なセル１ｂが存在することが好ましい。そのため、芯部１の算術平均粗さＲａは４μｍ以上であることが好ましい。
【００２５】
繊維強化複合材料積層体１０において、芯部１の発泡樹脂の結晶性は特に限定されず、発泡樹脂は非晶性高分子及び結晶性高分子の少なくとも一方を用いることができる。
【００２６】
芯部１の発泡樹脂が非晶性高分子からなる場合、芯部１の発泡樹脂のガラス転移温度Ｔｇが、芯部１と表層部２とを密着させるための成形温度よりも１８度以上高いことが好ましい。芯部１の発泡樹脂のガラス転移温度Ｔｇが成形温度よりも１８度以上高いことにより、成形温度で発泡樹脂が溶融することを抑制できるため、外観が良好な繊維強化複合材料積層体１０を得ることが可能となる。なお、発泡樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、示差熱分析（ＤＴＡ）又は示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により測定することができる。
【００２７】
芯部１の発泡樹脂が結晶性高分子からなる場合、芯部１の発泡樹脂の融点Ｔｍが、芯部１と表層部２とを密着させるための成形温度よりも６５度以上高いことが好ましい。芯部１の発泡樹脂の融点Ｔｍが成形温度よりも６５度以上高いことにより、成形温度で発泡樹脂が溶融することを抑制できるため、外観が良好な繊維強化複合材料積層体１０を得ることが可能となる。
【００２８】
繊維強化複合材料積層体１０は、図１に示すように、芯部１と表層部２とが直接接触して密着している。しかしながら、芯部１と表層部２は直接接触している必要はなく、芯部１と表層部２との間に他の層が介在してもよい。具体的には、図４に示すように、繊維強化複合材料積層体１００は、芯部１と表層部２との間に存在する浸透防止層４をさらに備えていてもよい。
【００２９】
上述のように、繊維強化複合材料積層体１０の製造段階において、表層部前駆体２Ａと芯部１の表面１ａとを接触させて加圧した場合、表層部前駆体２Ａの熱硬化性樹脂前駆体３は、表層部前駆体２Ａから移動してセル１ｂの内部に浸入してしまう。そのため、熱硬化性樹脂前駆体３が表層部前駆体２Ａからセル１ｂの内部に浸入することを抑制するために、芯部１と表層部前駆体２Ａとの間に浸透防止層４を介在させてもよい。芯部１と表層部前駆体２Ａとの間に浸透防止層４を介在させた状態で加圧しながら加熱することにより、浸透防止層４によって熱硬化性樹脂前駆体３がセル１ｂの内部に浸入することを抑制しつつ、熱硬化性樹脂前駆体３を硬化させることができる。その結果、表層部前駆体２Ａの厚みを薄くして熱硬化性樹脂前駆体３の含有量を低下させた場合でも、得られる表層部２の樹脂枯れを防止し、表層部２の表面性状を良好に保つことが可能となる。
【００３０】
浸透防止層４の形状は、板状又はフィルム状であることが好ましい。また、浸透防止層４の材料は熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の少なくとも一方を用いることができる。浸透防止層４を構成する樹脂が熱硬化性樹脂からなる場合、熱硬化性樹脂は上述の表層部２を構成する熱硬化性樹脂と同様のものを用いることができる。浸透防止層４を構成する樹脂が熱可塑性樹脂からなる場合、熱可塑性樹脂は特に限定されず、例えばポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、エラストマー系（スチレン系、オレフィン系、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系、ウレタン系、エステル系、アミド系）樹脂、ポリエステル系樹脂、エンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリル樹脂、エチレンアクリレート樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリエステルエラストマー、ポリアミドエラストマー、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレートからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。この中でも、浸透防止層４を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の少なくとも一方を用いることが好ましく、エポキシ樹脂を用いることがより好ましい。
【００３１】
後述するように、浸透防止層４を備える繊維強化複合材料積層体１００は、芯部１、浸透防止層４及び表層部前駆体２Ａをこの順で積層した後、加圧しながら加熱することにより得ることができる。また、浸透防止層４の代わりに、重合反応により浸透防止層４を形成する浸透防止層前駆体を用いてもよい。つまり、例えば、芯部１、浸透防止層前駆体及び表層部前駆体２Ａをこの順で積層した後、加圧しながら加熱することにより、表層部前駆体２Ａ及び浸透防止層前駆体が硬化し、繊維強化複合材料積層体１００を形成することができる。なお、浸透防止層前駆体としては、熱硬化性樹脂前駆体及び重合開始剤を混合した後、半硬化状態に留めたプレポリマーを用いることができる。
【００３２】
浸透防止層４は熱硬化性樹脂を含み、浸透防止層４を構成する熱硬化性樹脂の前駆体は、芯部１と表層部２とを密着させるための成形温度における、表層部２を構成する熱硬化性樹脂の前駆体の硬化時間よりも短時間で硬化することが好ましい。つまり、浸透防止層４が熱硬化性樹脂よりなる場合、成形温度において、浸透防止層前駆体に含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間は、表層部前駆体２Ａに含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間よりも短いことが好ましい。成形温度において、浸透防止層４を構成する熱硬化性樹脂前駆体が素早く硬化して浸透防止層４が形成された場合には、浸透防止層４によってセル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入することを抑制することが可能となる。
【００３３】
また、浸透防止層４は熱可塑性樹脂を含み、浸透防止層４の融点が、芯部１と表層部２とを密着させるための成形温度よりも６５度以上高いことが好ましい。浸透防止層４の融点が成形温度よりも６５度以上高い場合には、浸透防止層４は成形温度で十分な貯蔵弾性率を有することから、浸透防止層４によってセル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入することを抑制することが可能となる。
【００３４】
次に、本実施形態の繊維強化複合材料積層体の製造方法について説明する。まず、炭素繊維に熱硬化性樹脂前駆体を含浸し、半硬化状態に留めた表層部前駆体２Ａを調製する。表層部前駆体２Ａの調製方法は特に限定されず、公知の知見により調製することができる。なお、表層部前駆体２Ａには重合開始剤を含有することが好ましく、必要に応じて着色剤や重合禁止剤などの添加剤を添加してもよい。
【００３５】
繊維強化複合材料積層体１０を作製する場合には、芯部１を挟み込むように表層部前駆体２Ａを積層することにより、積層体を作製する。そして、芯部１と表層部前駆体２Ａと積層体を上金型及び下金型の間に挿入し、加圧しながら加熱する。これにより、熱硬化性樹脂前駆体中の重合開始剤よりフリーラジカル又はイオンが発生し、連鎖反応による重合が進行することにより、熱硬化性樹脂前駆体が硬化する。このような工程により、芯部１と表層部２が強固に接合した繊維強化複合材料積層体１０を得ることができる。
【００３６】
図４に示す繊維強化複合材料積層体１００を作製する場合には、まず、芯部１、浸透防止層４及び表層部前駆体２Ａを積層することにより、積層体を作製する。そして、上述と同様に、積層体を上金型及び下金型の間に挿入し、加圧しながら加熱する。このような工程により熱硬化性樹脂前駆体が硬化し、芯部１、表層部２及び浸透防止層４が強固に接合した繊維強化複合材料積層体１００を得ることができる。
【００３７】
また、重合反応により浸透防止層４を形成する浸透防止層前駆体を用いる場合には、まず、芯部１、浸透防止層前駆体及び表層部前駆体２Ａを積層することにより、積層体を作製する。そして、上述と同様に、積層体を上金型及び下金型の間に挿入し、加圧しながら加熱する。このような工程により、表層部前駆体２Ａ及び浸透防止層前駆体が硬化し、芯部１、表層部２及び浸透防止層４が強固に接合した繊維強化複合材料積層体１００を得ることができる。
【００３８】
なお、芯部１と表層部前駆体２Ａとを備える積層体、及び芯部１と表層部前駆体２Ａと浸透防止層４又は浸透防止層前駆体とを備える積層体を加熱加圧成形する方法は、上述の上金型及び下金型を用いた方法に限定されない。また、加熱加圧成形の条件も特に限定されないが、例えば温度を１００〜１８０℃とし、圧力を０．５〜１０ＭＰａで行うことができる。また、上記の温度範囲内で上金型と下金型に温度差を設けて加熱してもよい。
【００３９】
このように、本実施形態に係る繊維強化複合材料積層体１０，１００は、発泡樹脂を含有する芯部１と、炭素繊維を含有する熱硬化性樹脂を有し、芯部１の表面１ａに密着される表層部２とを備える。そして、芯部１と表層部２とが密着していない状態における芯部１の発泡樹脂は、算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であり、かつ、表面１ａのセル１ｂの最大径が０．６ｍｍ以下である。芯部１の表面１ａの算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であり、かつ、表面１ａに存在する複数のセル１ｂの最大径が０．６ｍｍ以下であることにより、表層部前駆体２Ａの内部に保持されている熱硬化性樹脂前駆体３は、セル１ｂの内部に浸入し難くなる。そのため、表層部前駆体２Ａにおいて熱硬化性樹脂前駆体３の含有量が過少となる部位２ａを少なくすることができる。その結果、表層部２の表面２ｂにおける樹脂枯れを抑制し、繊維強化複合材料積層体１０，１００の表面性状を良好にすることが可能となる。また、表層部２の樹脂枯れを抑制することで、繊維強化複合材料積層体１０，１００の破損が発生し難くなることから、繊維強化複合材料積層体１０，１００の強度を高めることが可能となる。
【００４０】
また、上述のように、繊維強化複合材料積層体１０，１００は、芯部１と表層部前駆体２Ａとを積層した後、加圧しながら加熱することにより、製造することができる。そのため、特許文献１のように中空体の内部で発泡させるような複雑な工程を経なくても、加熱加圧処理の一工程で製造することができるため、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００４１】
さらに、繊維強化複合材料積層体１０は、加圧により芯部１のセル１ｂに熱硬化性樹脂前駆体３が浸入し、その状態で熱硬化性樹脂前駆体３が硬化するため、熱硬化性樹脂がセル１ｂの内面に係合することができる。つまり、繊維強化複合材料積層体１０は、熱硬化性樹脂のアンカー効果により、芯部１と表層部２が強固に接合することができるため、接着剤を用いる必要がない。このように接着剤の塗布工程が不要となることから、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００４２】
本実施形態の繊維強化複合材料積層体１０，１００は、発泡樹脂を含有する芯部１と、炭素繊維を含有する表層部２とを密着してなるため、高い強度を有しつつも、軽量性及び断熱性に優れている。さらに、繊維強化複合材料積層体１０，１００は、樹脂枯れが抑制されているため、外観も良好である。そのため、繊維強化複合材料積層体１０，１００は、フロアパネル、ルーフパネル、ドアパネル、インストルメントパネル等の車両用外板パネルや内装材に好適に用いることができる。
【００４３】
なお、本実施形態の繊維強化複合材料積層体では、図１、図２及び図４に示すように、芯部１の上面及び下面の両方に表層部２を密着する必要はなく、芯部１の少なくとも一面に密着していればよい。また、本実施形態の繊維強化複合材料積層体では、芯部１の表面１ａの全面に表層部２が密着している必要はなく、表面１ａの少なくとも一部に表層部２が密着していてもよい。
【実施例】
【００４４】
以下、本実施形態を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４５】
［実施例１］
まず、芯部を構成する発泡樹脂として、次のものを準備した。なお、発泡樹脂の算術平均粗さＲａは、測定装置として株式会社ミツトヨ製  コントレーサ（登録商標）ＣＶ−３２００を用い、表１に示す条件で測定した。
・変性ポリフェニレンエーテル樹脂発泡体、サンフォース（登録商標）（旭化成ケミカルズ株式会社製）、算術平均粗さＲａ：３．９μｍ
・ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡体、セルペット（登録商標）（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：１８．５μｍ
・ポリメタクリルイミド硬質発泡体、ROHACELL（登録商標）71SL（ダイセル・エボニック株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５７．２μｍ
・硬質アクリル発泡体、フォーマック（登録商標）＃１０００（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５９．０μｍ
・ポリメタクリルイミド硬質発泡体、ROHACELL 51IG（ダイセル・エボニック株式会社製）、算術平均粗さＲａ：７３．６μｍ
【００４６】
【表１】
2019006037.tif 000003
【００４７】
次に、表層部前駆体として、炭素繊維の束を平織してなる繊維層を三層重ねた積層体に、エポキシ樹脂の前駆体を含浸して半硬化状態にしたプリプレグを準備した。なお、表層部前駆体は、樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが１２０ｇ／ｍ２、２４０ｇ／ｍ２、３６０ｇ／ｍ２の三種類を準備した。エポキシ樹脂の前駆体としては、三菱レイヨン株式会社製ＴＲ３１１０を用いた。
【００４８】
そして、上記発泡樹脂と表層部前駆体とを直接接触させた状態で、成形温度１４０℃、圧力５ＭＰａで押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。なお、本例では、発泡樹脂及び表層部前駆体の組み合わせを変えて、複数種の繊維強化複合材料積層体を作製した。図５では、繊維強化複合材料積層体を成形する前における、芯部を構成する発泡樹脂の算術平均粗さＲａと表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎとの関係を示している。また、図５は、得られた繊維強化複合材料積層体における表層部を目視で観察した際の樹脂枯れ部位の有無も合わせて示している。
【００４９】
図５に示すように、芯部の算術平均粗さＲａが７３．６μｍの場合には、表層部前駆体の樹脂量が３６０ｇ／ｍ２であっても樹脂枯れが発生し、外観不良を引き起こしている。そして、繊維強化複合材料積層体は、表層部前駆体における繊維層の積層数を三層に抑え、樹脂量を３６０ｇ／ｍ２程度までにすることが好ましいことから、芯部の算術平均粗さＲａの上限は５９μｍであることが好ましい。
【００５０】
また、図５に示すように、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎと芯部の算術平均粗さＲａとの関係が、Ｗｒｅｓｉｎ≧６．１０Ｒａを満たす場合には、樹脂量が１２０ｇ／ｍ２及び２４０ｇ／ｍ２の場合でも樹脂枯れが発生していない。そのため、この関係を満たす場合には、繊維強化複合材料積層体の表面性状が良好となることが分かる。
【００５１】
図６Ａは、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが３６０ｇ／ｍ２であり、芯部の算術平均粗さＲａが５９．０μｍの場合に得られた繊維強化複合材料積層体の表面を示している。図６Ａに示すように、この繊維強化複合材料積層体では、表面に樹脂枯れが発生しておらず、表面性状が良好であることが分かる。これに対して、図６Ｂは、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが１２０ｇ／ｍ２であり、芯部の算術平均粗さＲａが５９．０μｍの場合に得られた繊維強化複合材料積層体の表面を示している。図６Ｂに示すように、この繊維強化複合材料積層体では、表面に樹脂枯れＤが発生しており、外観不良が発生していることが分かる。
【００５２】
［実施例２］
まず、芯部を構成する発泡樹脂として、次のものを準備した。なお、発泡樹脂の算術平均粗さＲａは、実施例１と同様に測定した。
・ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡体、セルペット（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：１８．５μｍ
・ポリメタクリルイミド硬質発泡体、ROHACELL 71SL（ダイセル・エボニック株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５７．２μｍ
・硬質アクリル発泡体、フォーマック＃１０００（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５９．０μｍ
【００５３】
次に、表層部前駆体として、炭素繊維の束を一方向にのみ揃えた繊維層を三層重ねた積層体に、実施例１と同じエポキシ樹脂の前駆体を含浸して半硬化状態にしたプリプレグを準備した。なお、表層部前駆体は、樹脂量Ｗｒｅｓｉｎが２００ｇ／ｍ２、２２０ｇ／ｍ２、２６０ｇ／ｍ２、３３０ｇ／ｍ２の四種類を準備した。
【００５４】
そして、上記発泡樹脂と表層部前駆体とを直接接触させた状態で、実施例１と同様に押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。なお、本例では、発泡樹脂及び表層部前駆体の組み合わせを変えて、複数種の繊維強化複合材料積層体を作製した。図７では、繊維強化複合材料積層体を成形する前における、芯部を構成する発泡樹脂の算術平均粗さＲａと表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎとの関係を示している。また、図７は、得られた繊維強化複合材料積層体における表層部を目視で観察した際の樹脂枯れ部位の有無も合わせて示している。
【００５５】
図７に示すように、芯部の算術平均粗さＲａが５９．０μｍ以下の場合には、樹脂枯れの発生が抑制されていることが分かる。つまり、上述のように、繊維強化複合材料積層体は、表層部前駆体における繊維層の積層数を三層に抑え、樹脂量を３６０ｇ／ｍ２程度までにすることが好ましい。そのため、芯部の算術平均粗さＲａの上限は５９μｍであることが好ましい。
【００５６】
また、表層部前駆体に含まれている樹脂量Ｗｒｅｓｉｎと芯部の算術平均粗さＲａとの関係が、Ｗｒｅｓｉｎ≧４．４１Ｒａを満たす場合には、樹脂枯れが発生せず、表面性状が良好となっていることが分かる。
【００５７】
［実施例３］
まず、芯部を構成する発泡樹脂として、次のものを準備した。なお、発泡樹脂の算術平均粗さＲａは、実施例１と同様に測定した。さらに、発泡樹脂の表面に存在するセルの最大径を、光学顕微鏡を用いて測定した。
・ポリメタクリルイミド硬質発泡体、ROHACELL 71SL（ダイセル・エボニック株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５７．２μｍ、セル最大径：０．６ｍｍ
・硬質アクリル発泡体、フォーマック＃１０００（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５９．０μｍ、セル最大径１．５ｍｍの欠陥が見られるもの
【００５８】
次に、表層部前駆体として、炭素繊維の束を平織してなる繊維層を三層重ねた積層体に、実施例１と同じエポキシ樹脂の前駆体を含浸して半硬化状態にしたプリプレグを準備した。なお、表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎは、３６０ｇ／ｍ２とした。
【００５９】
そして、上記発泡樹脂と表層部前駆体とを直接接触させた状態で、実施例１と同様に押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。なお、発泡樹脂であるフォーマック＃１０００の表面を光学顕微鏡で観察した結果、セルの最大径が１．５ｍｍのものが見られた。そして、図８では、得られた繊維強化複合材料積層体における表層部を観察した結果を示している。
【００６０】
図８に示すように、発泡樹脂のセルＨに対応する部位では樹脂枯れＤが発生しており、外観不良が生じていることが分かる。つまり、たとえ発泡樹脂の算術平均粗さＲａが５９μｍ以下であったとしても、セルＨの最大径が１．５ｍｍの場合には、表面性状が悪化することが分かる。
【００６１】
これに対し、表面に存在するセルの最大径が０．６ｍｍである発泡樹脂を用いた繊維強化複合材料積層体の表面を目視で観察した結果、樹脂枯れが確認できず、表面性状が良好となっていた。このことから、芯部の発泡樹脂は、表面のセルの最大径が０．６ｍｍ以下であることが好ましいことが分かる。
【００６２】
［実施例４］
まず、芯部を構成する発泡樹脂として次のものを準備し、縦３０ｃｍ横３０ｃｍの板状に切断した。なお、発泡樹脂の算術平均粗さＲａは、実施例１と同様に測定した。
・硬質アクリル発泡体、フォーマック＃１０００（積水化成品工業株式会社製）、算術平均粗さＲａ：５９．０μｍ
【００６３】
次に、表層部前駆体として、炭素繊維の束を平織してなる繊維層を二層重ねた積層体に、実施例１と同じエポキシ樹脂の前駆体を含浸して半硬化状態にしたプリプレグを準備した。なお、表層部前駆体の樹脂量Ｗｒｅｓｉｎは、２４０ｇ／ｍ２とした。そして、表層部前駆体を縦３０ｃｍ横３０ｃｍの板状に切断した。この表層部前駆体の硬化特性は、成形温度１４０℃で５分間加熱することにより硬化することが可能である。
【００６４】
さらに、浸透防止層前駆体及び浸透防止層として次のものを準備し、縦３０ｃｍ横３０ｃｍのフィルム状に切断した。
・浸透防止層前駆体１：エポキシ樹脂（速硬化性）、樹脂量１２０ｇ、特性：１４０℃、３〜５分で硬化
・浸透防止層前駆体２：エポキシ樹脂（遅硬化性）、樹脂量８０ｇ、特性：１４０℃、１０〜１５分で硬化
・浸透防止層：東レ株式会社製ＰＥＴ樹脂、樹脂量７８ｇ、特性：融点が２４０℃
【００６５】
（実施例４−１）
上記表層部前駆体、浸透防止層前駆体１、及び発泡樹脂をこの順で積層した後、加圧しながら成形温度１４０℃で押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。
【００６６】
（実施例４−２）
上記表層部前駆体、浸透防止層、及び発泡樹脂をこの順で積層した後、加圧しながら成形温度１４０℃で押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。
【００６７】
（比較例４−１）
上記表層部前駆体及び発泡樹脂をこの順で積層した後、加圧しながら成形温度１４０℃で押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。
【００６８】
（比較例４−２）
上記表層部前駆体、浸透防止層前駆体２、及び発泡樹脂をこの順で積層した後、加圧しながら成形温度１４０℃で押圧することにより、本例の繊維強化複合材料積層体を得た。
【００６９】
実施例４−１、実施例４−２及び比較例４−１、比較例４−２の繊維強化複合材料積層体の表面を目視で観察し、樹脂枯れした部位の数を求めた。各例の樹脂枯れ部位の数を表２に示す。なお、表２では、浸透防止層の種類、浸透防止層の樹脂量、浸透防止層の特性も合わせて示す。
【００７０】
【表２】
2019006037.tif 000004
【００７１】
表２に示すように、浸透防止層を設けた実施例４−１及び４−２は、樹脂枯れが発生しておらず、表面性状が良好となっていることが分かる。これに対し、浸透防止層を設けなかった比較例４−１は樹脂枯れが数多く発生しており、外観不良が生じていることが分かる。
【００７２】
また、実施例４−１で使用した浸透防止層前駆体は、成形温度１４０℃で３〜５分で硬化する。これに対して、表層部前駆体の硬化特性は、成形温度１４０℃で５分間加熱することにより硬化する。そのため、成形温度において、浸透防止層前駆体に含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間が、表層部前駆体に含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間よりも短い場合には、浸透防止層４が素早く形成され、樹脂枯れを抑制できることが分かる。
【００７３】
実施例４−２で使用した浸透防止層は、融点が成形温度１４０℃よりも１００度高いことから、浸透防止層は成形温度で十分な貯蔵弾性率を有する。そのため、浸透防止層によってセルに熱硬化性樹脂前駆体が浸入することを効果的に抑制できることが分かる。
【００７４】
これに対して、比較例４−２で使用した浸透防止層前駆体は、成形温度１４０℃で１０〜１５分で硬化する。上述のように、表層部前駆体の硬化特性は、１４０℃で５分間加熱することにより硬化するため、浸透防止層前駆体に含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間が、表層部前駆体に含まれる熱硬化性樹脂前駆体の硬化時間よりも遅い。この場合には、浸透防止層４が形成されず、熱硬化性樹脂前駆体がセルに浸入することを抑制できないため、樹脂枯れが発生することが分かる。
【００７５】
以上、本実施形態を実施例によって説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１  芯部
１ａ  表面
１ｂ  セル（気泡）
２  表層部
２Ａ  表層部前駆体
４  浸透防止層
１０，１００  繊維強化複合材料積層体
【図１】
2019006037.tif 000005
【図２】
2019006037.tif 000006
【図３】
2019006037.tif 000007
【図４】
2019006037.tif 000008
【図５】
2019006037.tif 000009
【図６Ａ】
2019006037.tif 000010
【図６Ｂ】
2019006037.tif 000011
【図７】
2019006037.tif 000012
【図８】
2019006037.tif 000013