(57)【要約】【課題】重量の増大や成形性の低下を招くことなく、機械的特性、特に高温時の圧縮強度が向上した繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得る。【解決手段】先ず、強化繊維及び溶融した脂肪族系熱可塑性樹脂からなる出発材料を成形して成形体とする。この成形体に対し、放射線を照射する。これにより、脂肪族系熱可塑性樹脂に３次元架橋構造が形成される。すなわち、母材である脂肪族系熱可塑性樹脂が架橋体である繊維強化熱可塑性樹脂成形品が得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維及び脂肪族系熱可塑性樹脂を含む繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法であって、
前記強化繊維及び溶融した前記脂肪族系熱可塑性樹脂からなる出発材料を成形して成形体を得る工程と、
前記成形体に放射線を照射して、前記脂肪族系熱可塑性樹脂に３次元架橋構造を形成することで繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得る工程と、
を有することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、前記成形体の一部を放射線遮蔽材で覆った後に、前記放射線を照射することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法。
【請求項３】
強化繊維及び脂肪族系熱可塑性樹脂を含む繊維強化熱可塑性樹脂成形品であって、
前記脂肪族系熱可塑性樹脂は、３次元架橋構造を含む架橋体であることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維と脂肪族系熱可塑性樹脂とを含む繊維強化熱可塑性樹脂成形品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化樹脂の母材としては、主に熱硬化性樹脂が用いられているが、近年、例えば、特許文献１、２に記載されるように、熱硬化性樹脂に比して容易に且つ短時間で成形することが可能な熱可塑性樹脂を用いた繊維強化熱可塑性樹脂（ＦＲＴＰ：Fiber Reinforced Thermo Plastics）が着目されている。特に熱可塑性樹脂として脂肪族主体の分子構造を有するものは強化繊維への含浸性がよく成形加工性が良好なため大量生産に適している。
【０００３】
ところで、強化繊維は繊維方向に加えられる圧縮応力に対して座屈しやすいため、ＦＲＴＰ成形品に該圧縮応力が加えられた場合、そのほとんどが熱可塑性樹脂に対する荷重となる。従って、ＦＲＴＰ成形品における前記繊維方向の圧縮強度は、熱可塑性樹脂の強度に強く依存する。すなわち、熱可塑性樹脂の強度が大きくなることに伴って、ＦＲＴＰ成形品における前記繊維方向の圧縮強度も大きくなる。
【０００４】
しかしながら、熱可塑性樹脂は、成形性やリサイクル性に優れる一方で、高温時に機械的特性が低下し易い。すなわち、ＦＲＴＰ成形品では、特に高温時の圧縮強度が低下し易いという不具合が顕在化している。
【０００５】
特に熱可塑性樹脂として脂肪族主体の分子構造を有するものは物性低下温度が低く、また脂肪族ポリアミドのように吸水等による物性低下を生じやすいものもある。例えばナイロン−６は成形性に優れ自動車部品用途への応用が期待されるが、８０℃程度の使用環境を要求される箇所ではナイロン−６の圧縮強度は常温の半分程度にまで低下するため、軽量構造材への応用は困難である。
【０００６】
上記の不具合に対処する手段としては、例えば、（１）ＦＲＴＰ成形品の厚さを大きくすること、（２）分子構造内に芳香族環を多く含み比較的融点が高く吸水性の低い熱可塑性樹脂を選定すること、（３）強化繊維の割合（体積％）を増加させ、ＦＲＴＰ成形品自体の機械的特性を向上させることが想起される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１３０５９号公報
【特許文献２】実開平６−３５４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記（１）の手段では、厚さを大きくする分、ＦＲＴＰ成形品の重量も増大してしまう。このため、自動車部品等の軽量化が望まれる構造用部材に採用することは困難である。
【０００９】
また、（２）の手段では、熱可塑性樹脂の融点に応じて成形温度を高くする必要が生じるため、成形性や材料及び成形設備のコスト面等から適切ではない。特に大量生産される製品への適用は困難である。例として航空機用途にポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を熱可塑性樹脂に用いたＦＲＴＰ成形品の開発が行われているが、これらは樹脂材料自体が高価な上に樹脂の軟化温度が高く溶融粘度も高い。従って、脂肪族系樹脂に比べ著しく高い成形温度が必要となり、成形設備やエネルギーコストも大幅に上昇するため、自動車部品等の大量生産への適用が困難である。
【００１０】
さらに、（３）の手段では、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比して溶融時の粘性が高いので、強化繊維の割合を大きくした場合、熱可塑性樹脂を強化繊維に含浸することが容易ではなくなる。このため、成形性や成形品の形状自由度が低下してしまう懸念があり、増加可能な強化繊維の割合には限界がある。特に構造体として高い機械強度を満たすように設計された部品においては、元々強化繊維の割合が高められているため、該割合を一層増加することがさらに困難である。
【００１１】
本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、重量の増大や成形性の低下を招くことなく、繊維強化熱可塑性樹脂成形品の機械的特性を向上させ得る繊維強化熱可塑性樹脂成形品及びそ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】
前記の目的を達成するために、本発明は、強化繊維及び脂肪族系熱可塑性樹脂を含んで構成される繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法であって、
前記強化繊維及び溶融した前記脂肪族系熱可塑性樹脂からなる出発材料を成形して成形体を得る工程と、
前記成形体に放射線を照射して、前記脂肪族系熱可塑性樹脂に３次元架橋構造を形成することで繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得る工程と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
なお、成形体は、上記のようにして得られた繊維強化熱可塑性樹脂であれば、市販品であっても差し支えない。すなわち、成形体を得る工程には、市販品を用意することが含まれる。
【００１４】
本発明においては、出発材料を成形して成形体とした後、成形体に含まれる脂肪族系熱可塑性樹脂に３次元架橋構造を形成して、繊維強化熱可塑性樹脂（ＦＲＴＰ）成形品を得る。すなわち、脂肪族系熱可塑性樹脂溶融物の良好な流動性を利用して容易、速やか及び経済的にＦＲＴＰ成形品を得た後、該脂肪族系熱可塑性樹脂を架橋することによって高温時ないし吸水時の機械的特性を向上させるようにしている。
【００１５】
要するに、このようにして得られたＦＲＴＰ成形品は、機械的特性が向上した脂肪族系熱可塑性樹脂（架橋体）を含む。架橋体は耐熱性に優れ、比較的高温であっても軟化し難い。従って、高温時の圧縮強度が特に向上したＦＲＴＰ成形品を容易に得ることができる。
【００１６】
このように、本発明によれば、脂肪族系熱可塑性樹脂の構造を変化させることによって機械的特性を向上させるので、厚みを大きくしたり、強化繊維の割合を大きくしたりする必要がない。さらに、成形後に架橋を行うので、ＦＲＴＰ成形品を得る際の成形温度を高温にする必要もない。すなわち、重量の増大や成形性の低下を招くことなく、機械的特性を向上させた繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得ることができる。
【００１７】
なお、放射線は、成形品の全体に対して照射する必要は特になく、少なくとも、機械的特性の向上を図る部位にのみ照射すればよい。この場合には、例えば、照射を行う部位以外の部位を放射線遮蔽板で覆う等してマスク部分を形成し、放射線を遮るようにすればよい。
【００１８】
このマスク部分には、３次元架橋構造が形成されることが回避される。従って、マスク部分は熱可塑性を維持したままである。このため、加熱溶融して再加工することが可能である。従って、最終成形品を多段階成形によって得ることや、ＦＲＴＰ成形品に対して他の樹脂部材を溶着すること等が可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、繊維強化熱可塑性樹脂成形品の母材である脂肪族系熱可塑性樹脂を架橋体に変化させるようにしているので、重量の増大や成形性の低下を招くことなく、機械的特性、特に、高温時の圧縮強度を向上させた繊維強化熱可塑性樹脂成形品を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例における圧縮強度測定試験に用いた試験片の平面図である。
【図２】図１に示す試験片の側面図である。
【図３】実施例及び比較例における圧縮強度測定試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形品及びその製造方法について好適な実施形態を挙げ、詳細に説明する。
【００２２】
はじめに、繊維強化熱可塑性樹脂（ＦＲＴＰ）成形品につき説明する。この繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、強化繊維からなる強化材に脂肪族系熱可塑性樹脂からなる母材（マトリックス）が含浸された繊維強化熱可塑性樹脂からなる。
【００２３】
強化繊維は、いわゆる連続繊維であり、好ましくは繊維長が１ｍｍ以上のものである。また、強化繊維の好適な例としては、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミックス繊維、天然繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられる。
【００２４】
さらに、強化繊維の割合は、例えば、１０〜８０体積％、一層好ましくは２０〜７０％に設定することができる。
【００２５】
また、脂肪族系熱可塑性樹脂としては、放射線が照射された際に分子鎖間の架橋反応が優先的に生じる、いわゆる架橋型の高分子が選定される。この種の高分子としては、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミドが例示される。
【００２６】
ポリオレフィンの代表例には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等が挙げられる。また、ポリエステルとしては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）、ポリカーボネート（ＰＣ）等が例示され、ポリアミドとしてはナイロン−６（Ｎ６）、ナイロン−６，６（Ｎ６６）、半芳香族ポリアミド類等が例示される。
【００２７】
本実施形態に係る製造方法では、先ず、強化繊維及び溶融させた脂肪族系熱可塑性樹脂からなる出発材料を成形して成形体とする。出発材料の成形は、公知の成形方法を用いて行うことができる。このためには、例えば、射出成形やホットプレス成形等、脂肪族系熱可塑性樹脂の熱可塑性を利用した成形方法を用いてもよい。又は、Ｓ−ＲＩＭ（Structural-Reaction Injection Molding）成形、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形等、成形型内で強化繊維と脂肪族系熱可塑性樹脂の原料モノマーとを混合した後に該原料モノマーを重合させてＦＲＴＰを形成する、いわゆる現場化学重合にて成形を行うようにしてもよい。ここで、強化繊維及び脂肪族系熱可塑性樹脂の好適な例は、上記した通りである。
【００２８】
この時点では、成形体の母材である脂肪族系熱可塑性樹脂は、２次元的に連なる鎖状高分子である。そこで、次に、該脂肪族系熱可塑性樹脂を、３次元網目構造をなす架橋体に変化させる。
【００２９】
すなわち、成形体に対して放射線を照射する。放射線は、電子線であってもよいし、γ線等の電磁波であってもよいが、照射が容易で設備も簡素であること、透過能力に優れているために強化繊維で遮られることなく第１部材の照射裏面まで到達し得ること等から、γ線が特に好適である。この場合、放射線源としてはコバルト６０を用いればよい。γ線を照射するときには、大気中且つ常温でよく、照射量は脂肪族系熱可塑性樹脂の分子構造によるが、一般的には１００〜２００ｋＧｙ程度で十分である。また、この照射量の増減によって架橋度合いを変化させ、成形体の強度を調節することができる。
【００３０】
このように放射線を照射することに伴い、脂肪族系熱可塑性樹脂中にラジカル等の反応活性種が多数生成する。これらの反応活性種が起点となり、鎖状高分子同士が互いに架橋するように結合する。すなわち、３次元架橋構造が形成される。これにより脂肪族系熱可塑性樹脂が架橋体に変化し、その結果、ＦＲＴＰ成形品が得られるに至る。
【００３１】
架橋構造が形成された脂肪族系熱可塑性樹脂は、加熱による軟化が抑制される。このため、特に高温時における機械的特性を向上させることができる。従って、得られたＦＲＴＰ成形品についても、機械的特性を向上させることが可能となり、特に強化繊維の繊維方向に対する圧縮強度を優れたものとすることができる。上記したように、ＦＲＴＰ成形品の圧縮強度は、熱可塑性樹脂の強度に依存するからである。特に脂肪族系熱可塑性樹脂は比較的柔軟な分子構造からなっているため、その分子間架橋が機械的特性に与える改善効果は、柔軟性のない（リジッドな）分子構造からなる芳香族系の高分子に比して大きいと期待される。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る製造方法では、先ず、出発材料を成形することによって脂肪族系熱可塑性樹脂の溶融時流動性を利用して容易且つ速やかに成形体を得ることができる。すなわち、例えば、比較的低温域で出発材料に対してプレス成形を行うこと等によって、熱硬化性樹脂を成形する場合に比して、成形に要する時間を短縮することができる。
【００３３】
さらに、この成形体に放射線を照射することで、脂肪族系熱可塑性樹脂に３次元架橋構造を形成して、高温時の圧縮強度を良好に向上させたＦＲＴＰ成形品を得ることができる。従って、ＦＲＴＰ成形品の厚さを大きくする必要や、高融点の芳香族系熱可塑性樹脂を選定する必要がない。すなわち、重量の増大や成形性の低下を招くことなく、機械的特性を向上させた繊維強化熱可塑性樹脂成形品を速やかに得ることができる。
【００３４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３５】
例えば、ＦＲＴＰ成形品を多段階成形から得る場合や、ＦＲＴＰ成形品同士を接合する場合等、成形体に放射線を照射した後にさらに加工する必要がある部位については、放射線を必要箇所のみに照射するか、あるいは放射線遮蔽材で覆った状態で放射線を照射する。放射線遮蔽材は、例えば、亜鉛等の放射線を透過しない材料から構成することができる。
【００３６】
放射線遮蔽材で覆われた部分（マスク部分）は、放射線が遮られるため、３次元架橋構造が形成されることを回避できる。このため、マスク部分では熱可塑性が維持される。従って、該マスク部分に対して容易に再加工することが可能となる。
【００３７】
なお、マスク部分については、再加工後に放射線を照射して３次元架橋構造を形成してもよい。この場合、マスク部分の機械的特性も向上させることができる。
【実施例】
【００３８】
［実施例］
成形体として、独国ボンドラミネート社製のテペックスダイナライトを選定した。これは、縒り合わせた炭素繊維の束が２次元等方性を有するように配向された繊維層の重畳体に、脂肪族系熱可塑性樹脂であるナイロン−６，６（Ｎ６６）を含浸させたものである。すなわち、この成形体は、炭素繊維及びＮ６６を出発材料として板状に成形されている。なお、この場合、強化繊維は４５体積％である。
【００３９】
この成形体に対し、コバルト６０を放射線源として吸収線量１００．５〜１０１．９ＫＧｙのガンマ線を常温の大気中で照射することにより、図１及び図２に示すＦＲＴＰ成形品１０を得た。これを実施例とする。
【００４０】
なお、ＦＲＴＰ成形品１０の厚さＴ１（図２参照）、幅Ｗ１（図１参照）、長さＬ１は、それぞれ、２ｍｍ、１２．７ｍｍ、７８ｍｍである。また、ＦＲＴＰ成形品１０における長手方向は、強化繊維の繊維方向に略合致している。
【００４１】
このＦＲＴＰ成形品１０に対し、インストロン社製の万能試験機を用い、ＪＩＳ−Ｋ−７０７６に準じて、面内方向圧縮強度を測定する試験を行った。
【００４２】
この測定試験を行うべく、図２に示すように、ＦＲＴＰ成形品１０の長さ方向の両端部に対し、その下端面及び上端面の双方にタブ１２を接着して試験片１４を作製した。なお、各タブ１２は、ＦＲＴＰ成形品１０と同一の出発材料から同様の製造過程を得て作製された平板形状体であり、厚さＴ２（図２参照）、幅Ｗ２、長さＬ２は、それぞれ、２ｍｍ、１２．７ｍｍ、３５ｍｍである。
【００４３】
また、タブ１２とＦＲＴＰ成形品１０との接着は、タブ１２の表面をサンドペーパで研磨し、アセトンで洗浄した後に、３Ｍ社製のエポキシ系接着材「Ｓｃｏｔｃｈ−Ｗｅｌｄ  ＤＰ−４６０」を用いて行った。
【００４４】
そして、得られた試験片１４を用いて上記の測定試験を行い、ＦＲＴＰ成形品１０について、２３℃及び８０℃の条件下で、それぞれ圧縮強度（ＭＰａ）及び最大圧縮歪（％）を測定した。
【００４５】
［比較例］
比較のため、試験片１４のＦＲＴＰ成形品１０に代替し、ガンマ線が照射されておらず、Ｎ６６に３次元架橋構造が形成されていない状態の成形体を用いて試験片を作製した。これを比較例とする。この比較例についても、実施例と同一条件下で測定試験を行った。
【００４６】
以上の実施例及び比較例の測定試験の結果を図３に示す。なお、図３には、圧縮強度から算出した圧縮強度保持率（％）を併せて示している。圧縮強度保持率は、２３℃から８０℃に昇温することによって圧縮強度が低下した割合を示す。
【００４７】
図３から明らかなように、実施例では、比較例に比して８０℃における圧縮強度が大きく、圧縮強度保持率も高い。このことから、Ｎ６６に３次元架橋構造を形成したＦＲＴＰ成形品１０では、３次元架橋構造が形成されていない成形体に比して、高温時の圧縮強度が向上していることが分かる。
【００４８】
すなわち、母材である脂肪族系熱可塑性樹脂を架橋体とすることにより、機械的特性、特に高温時の圧縮強度が良好に向上したＦＲＴＰ成形品１０を容易に得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ＦＲＴＰ成形品                        １２…タブ
１４…試験片
【図１】
2015196774.tif 000002
【図２】
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【図３】
2015196774.tif 000004