(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の長繊維からなる長繊維束と、該長繊維束に含浸され、硬化・発泡された発泡樹脂とからなる長繊維強化樹脂複合材であって、
横断面の中心側に位置している長繊維に比べて、外周近傍に配置されている長繊維の平均繊維径が大きくされており、かつ外周近傍における長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上であることを特徴とする長繊維強化樹脂複合材。
【請求項２】
長繊維束に発泡性樹脂原液を含浸させ、成形し、請求項１に記載の長繊維強化樹脂複合材を製造する方法であって、中心側に位置している長繊維よりも外周近傍に位置している長繊維の平均径が大きくなるようにかつ外周近傍における長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上となるように複数本の長繊維を筒状の空間に導き、
前記複数本の長繊維が導かれた筒状の空間の横断面の中心側から該筒状空間に発泡性樹脂原液を吐出し、長繊維に発泡性樹脂原液を付着させる工程と、
前記発泡性樹脂原液が付着された長繊維を束ね、筒状の空間から発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束を引き出す工程と、
前記発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束において発泡性樹脂原液を発泡し、硬化させることにより長繊維強化複合材を得る工程とを備える、長繊維強化樹脂複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長繊維で強化された樹脂複合材及びその製造方法に関し、より詳細には、長繊維束と発泡樹脂とからなる長繊維強化樹脂複合材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、繊維で補強された発泡樹脂成形体が種々提案されている。例えば、特公昭５５−１５２９０号公報には、発泡樹脂中に一方向に配向している多数の長繊維が均等に分散している長尺体からなる長繊維補強発泡体の製造方法が開示されている。
【０００３】
上記先行技術によれば、発泡した合成樹脂中に、一方向に配向している多数の長繊維、例えばガラス繊維が均一に分散されている長繊維補強発泡体が得られる。この長繊維補強発泡体では、曲げ弾性率は長繊維の量及び発泡樹脂の密度に依存する。従って、曲げ弾性率を高めようとした場合には、長繊維の量を増加させる必要がある。そのため、長繊維補強発泡体全体としての密度が必然的に高くならざるを得なかった。すなわち、低密度でかつ高曲げ弾性率の複合材を得るには限界があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の欠点を解消し、より低密度でありながら、高い弾性率を実現し得る長繊維強化樹脂複合材及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る長繊維強化樹脂複合材は、複数本の長繊維からなる長繊維束と、該長繊維束に含浸され、硬化・発泡された発泡樹脂とからなる長繊維強化樹脂複合材であって、横断面の中心側に位置している長繊維に比べて、外周近傍に配置されている長繊維の平均繊維径が大きくされており、かつ外周近傍における長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上であることを特徴とする。
【０００６】
すなわち、本発明に係る長繊維強化樹脂複合材では、横断面の中心側に比べて外周近傍に配置されている長繊維の平均繊維径を大きくし、かつ外周近傍の長繊維の平均密度を中心側における長繊維の平均密度以上とすることにより、複合材全体としての弾性率が高められている。しかも、中心側における長繊維の平均密度が外周近傍における長繊維の平均密度よりも低いため、複合材全体としての密度をさほど高くすることなく、上記のように高い弾性率を実現することができる。
【０００７】
本発明に係る長繊維強化樹脂複合材の製造方法は、長繊維束に発泡性樹脂原液を含浸させ、成形し、請求項１に記載の長繊維強化樹脂複合材を製造する方法であって、中心側に位置している長繊維よりも外周近傍に位置している長繊維の平均径が大きくなるようにかつ外周近傍における長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上となるように複数本の長繊維を筒状の空間に導き、前記複数本の長繊維が導かれた筒状の空間の横断面の中心側から該筒状空間に発泡性樹脂原液を吐出し、長繊維に発泡性樹脂原液を付着させる工程と、前記発泡性樹脂原液が付着された長繊維を束ね、筒状の空間から発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束を引き出す工程と、前記発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束において発泡性樹脂原液を発泡し、硬化させることにより長繊維強化複合材を得る工程とを備える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【０００９】
（長繊維）
本発明において長繊維束を構成するための長繊維としては、特に限定されないが、例えばロービングやヤーンのようにストランドをバインダーで軽く付着させて紐状としたものが好適に用いられる。中でも、発泡性樹脂原液の含浸が容易であり、成形が容易であり、かつ成形体の機械的物性に優れているため、ロービングが好ましく用いられる。
【００１０】
上記ストランドを構成するフィラメントは、モノフィラメントであってもよく、フィブリル（髭状に繊維が突き出たもの）化繊維であってもよい。
上記長繊維の材質についても特に限定されず、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維（合成繊維もしくは天然繊維）などが用いられる。中でも、機械的強度を効果的に高め得るため、ガラス繊維や炭素繊維が好ましく用いられる。なお、上記合成繊維としては、例えば、ビニロン、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、レーヨンなどが挙げられる。
【００１１】
（発泡樹脂）
本発明で用いられる発泡樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれをも用いることができる。熱硬化性樹脂としては、反応前に液状である熱硬化性樹脂が用いられ、熱硬化性樹脂と発泡剤とを含む発泡性樹脂原液を硬化・発泡させることにより発泡樹脂が構成される。上記熱硬化性樹脂としては、ウレタン系樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
【００１２】
また、上記発泡樹脂を構成し得る熱可塑性樹脂としては、溶融状態で流動性が１００００ｃｐｓ以下である熱可塑性樹脂が用いられ、このような熱可塑性樹脂と発泡剤とを含む発泡性樹脂原液を冷却により硬化し、かつ硬化に際して発泡させることにより発泡樹脂を構成することができる。
【００１３】
図１は、本発明により得られる長繊維強化樹脂複合材の一実施形態の横断面図を示す。長繊維強化樹脂複合材１では、複数本の長繊維２ａ，２ｂと、発泡樹脂３とを有する。ここで、横断面の中心部に位置している長繊維２ａに比べて、外周近傍に配置されている長繊維２ｂの平均繊維径が大きくされている。また、外周近傍における長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上とされている。このように、補強材としての長繊維が横断面の外周近傍において高い密度で配置されているので、全体の長繊維含有率が同じである場合、均一に長繊維が配置されている複合材に比べて、高い弾性率を実現することができる。
【００１４】
上記のような長繊維強化樹脂複合材の製造にあたっては、例えば図２（ａ），（ｂ）に示す装置を用いることができる。ここでは、略図的に示されているが、中心側に位置する長繊維よりも外周近傍に位置する長繊維の平均径が大きくなるように、複数本の長繊維１２が、筒状の空間１３に導かれる。筒状の空間１３は、円柱状の内型１４と円筒状の外型１５とにより構成されている。すなわち、外型１５内に、円柱状の内型１４が挿入されており、内型１４の外周面と外型１５の内周面との間に筒状の空間１３が形成されている。
【００１５】
他方、内型１４には、発泡性樹脂原液を注入するための樹脂原液注入経路１４ａが形成されている。樹脂原液注入経路１４ａは図示しない樹脂注入器に連結されている。また、樹脂原液注入経路１４ａは、図２（ｂ）に示すように、中間高さ位置において、内型１４の外周面に至る複数本の分岐路１４ｂを有する。分岐路１４ｂは、内型１４の外周面に開いた樹脂原液吐出口１４ｃに連なっている。
【００１６】
本実施例では、分岐路１４ｂが、図２（ｂ）の横断面において中心から径方向外側に向かって延びている。従って、発泡性樹脂原液１６が、樹脂原液吐出口１４ｃから径方向外側に吐出される。このようにして、複数本の長繊維１２に発泡性樹脂原液１６が付着される。ここでは、樹脂原液が径方向外側に吐出されるので、発泡性樹脂原液１６は筒状の空間１３内に滞留し難い。
【００１７】
次に、樹脂原液が付着された複数本の長繊維が、筒状の空間１３の下方部分で束ねられ、筒状の空間１３から引き出される。
複数本の長繊維１２が束ねられることにより、発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束１７が得られる。この場合、前述したように、外周近傍における長繊維の平均繊維径が中心部に位置している長繊維の平均繊維径よりも大きくなるように、複数本の長繊維が筒状の空間１３に供給される。また、長繊維束を束ねる際に、外周近傍の長繊維の平均密度が、中心側における長繊維の平均密度以上となるように長繊維束が形成される。
【００１８】
なお、上記樹脂原液吐出口１４ｃから発泡性樹脂原液を吐出するにあたっては、単位体積あたりの発泡樹脂原液と、長繊維との比率が０．８：１〜１．３：１となるように、かつ吐出空間すなわち筒状の空間の体積のうち０〜３０％の体積を含むように発泡性樹脂原液１６を吐出することが望ましい。上記範囲よりも発泡性樹脂原液１６の割合が小さい場合には、長繊維束に発泡性樹脂原液を均一に含浸することが困難となることがあり、上記範囲よりも発泡性樹脂原液１６が多い場合には、筒状の空間１３内において余剰の発泡性樹脂原液が下方に垂れるおそれがある。
【００１９】
上記のようにして、発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束１７は、適宜の金型内で、連続的に硬化・発泡され、それによって本発明に係る長繊維強化樹脂複合材が得られる。この金型としては、特に限定されず、長繊維束の長さ方向に沿って移動するエンドレスベルトのような可動金型を用い、横断面が目的とする複合材の横断面に応じた成形空間を有するように複数のエンドレスベルトを配置した可動金型を用いてもよく、あるいは横断面が所望とする複合材の横断面に応じた成形空間を有する筒状の固定金型と引取機とを用いて複合材の硬化・発泡を行ってもよい。このような可動金型の一例は、特開平５−２３７９４７号公報などに開示されている。
【００２０】
次に、具体的な実施例及び比較例を説明する。
（実施例）
▲１▼長繊維Ａ：直径１７μｍの１４００番手Ｅガラス繊維を撚り、弱く巻き取った物を１本のロービングとし、巻き取った物を長繊維Ａとして用意した。
【００２１】
▲２▼長繊維Ｂ：直径１３μｍの１４００番手Ｅガラス繊維を撚り、弱く巻き取った物を１本のロービングとし、巻き取った物を長繊維Ｂとして用意した。
▲３▼発泡性樹脂原液：ウレタン樹脂原料として、多官能ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ、住化バイエルウレタン（株）社製、品番：４４Ｖ２０、２０℃における粘度５００ｃｐｓ）１１０重量部と、ポリエーテルポリオール（住化バイエルウレタン（株）社製、品番：スミジュール０４８７、２０℃における粘度２０００ｃｐｓ）１００重量部に、発泡剤として水０．８重量部を含む発泡性樹脂原液を用意した。
【００２２】
▲４▼複合材の製造…上記長繊維Ａを外周側に２４本と、長繊維Ａの内側に長繊維Ｂを２４本とを図２（ａ）に示した金型に送り込み、発泡性樹脂原液を樹脂原液吐出口から樹脂原液と長繊維の体積割合が１：１となるように吐出し、長繊維Ａ，Ｂに樹脂原液を付着させ、しかる後、樹脂原液が付着した長繊維Ａ，Ｂを束ね、１ｍ／分で引き取りつつ、横断面が４０×１００ｍｍの寸法の矩形の成形空間を有する可動金型内において硬化・発泡させ、長繊維強化樹脂複合材を得た。
【００２３】
得られた長繊維強化樹脂複合材の全体としての密度は０．７４ｇ／ｃｍ3であり、長繊維含有率は０．３７ｇ／ｃｍ3であった。
上記長繊維強化樹脂複合材（横断面が４０ｍｍ×１００ｍｍの矩形形状）を長さ方向と直交する方向に切断し、図３に略図的に示す外周近傍部分Ｘと中心部分Ｙとを長さ２０ｍｍにわたり切り出した。なお、外周部分Ｘは、横断面が５ｍｍ×３５ｍｍであり、中心部分Ｙは表面から中心側に厚み方向において約１５ｍｍ隔てられた部分であり、外周部分Ｘと同様に横断面が５ｍｍ×３５ｍｍの寸法を有する。
【００２４】
上記のようにして得られた外周部分Ｘ及び中心部分Ｙのサンプルについて、長繊維の含有量を重量を計測することにより、また長繊維の平均径を走査型電子顕微鏡で観察することにより測定した。
【００２５】
その結果、外周部分Ｘでは、長繊維密度は０．４０ｇ／ｃｍ3であり、含有されている長繊維の平均径は１７μｍであった。他方、中心部分Ｙでは、長繊維密度は０．３４ｇ／ｃｍ3、含有されている長繊維の平均径は１３μｍであった。
【００２６】
（比較例）
実施例で用いた長繊維Ｂと、発泡性樹脂原液とを用いた。すなわち、長繊維Ａを用いずに、４８本の長繊維Ｂを用い、複合材中に長繊維Ｂが均一に配置されるように、特開平５−２３７９４７号公報に記載の製法に準じて、長繊維Ｂが横断面において均一に分散されている長繊維強化樹脂複合材を作製した。得られた複合材では横断面において切った長繊維が分散しており、その密度は０．７４ｇ／ｃｍ3であった。
【００２７】
（実施例及び比較例の評価）
実施例及び比較例で得られた長繊維強化樹脂複合材につき、曲げ弾性率をＪＩＳ  Ｚ２１０１木材の試験方法９．曲げ強度試験に従って測定した。その結果、実施例の長繊維強化樹脂複合材では曲げ弾性率は１２００ＭＰａであり、比較例の長繊維強化樹脂複合材では曲げ弾性率は１０８０ＭＰａであった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る長繊維強化樹脂複合材では、横断面の中心側に位置している長繊維に比べて、外周近傍に位置している長繊維の平均繊維径が大きく、かつ外周近傍における長繊維の平均密度が中心側における長繊維の平均密度以上であるため、複合材の横断面の中心側に比べて外周側の強度が高められるので、複合材全体の密度をさほど高めることなく、曲げ弾性率を効果的に高めることができる。従って、従来の複合材に比べて軽量でありかつ曲げ強度に優れた長繊維強化樹脂複合材を提供することが可能となる。
【００２９】
本発明に係る製造方法では、中心側に位置する長繊維よりも外周近傍に位置する長繊維の平均径が大きくなるように複数本の長繊維を筒状の空間に導き、筒状の空間の横断面の中心側から該筒状空間に発泡性樹脂原液を吐出し、複数本の長繊維に発泡性樹脂原液を付着させ、該長繊維を束ね、発泡性樹脂原液が含浸された長繊維束において発泡性樹脂原液を発泡し、硬化させることにより、本発明に係る長繊維強化樹脂複合材が得られる。従って、本発明に従って、軽量であり、曲げ強度の大きな長繊維強化樹脂複合材を得ることができる。
【００３０】
また、本発明にかかる長繊維強化樹脂複合材の製造方法では、発泡性樹脂原液は、筒状の空間の横断面の中心側から該筒状空間に発泡性樹脂原液が吐出されるので、筒状の空間内に発泡性樹脂原液が滞留し難い。従って、例えば熱硬化性樹脂を主成分とする発泡性樹脂原液を用いた場合であっても、樹脂原液の滞留及び堆積物による筒状の空間内の汚染が生じ難いので、長期間にわたり本発明に係る長繊維強化樹脂複合材を連続的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る長繊維強化樹脂複合材の一実施形態を説明するための横断面図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る長繊維強化樹脂複合材を製造するための金型の一例を示す縦断面図及び横断面図。
【図３】実施例で切り出された長繊維強化樹脂複合材のサンプルを説明するための横断面図。
【符号の説明】
１…長繊維強化樹脂複合材
２ａ…外周側の長繊維
２ｂ…中心側の長繊維
３…発泡樹脂
【図１】
0004568450.tif 000002
【図２】
0004568450.tif 000003
【図３】
0004568450.tif 000004