(57)【要約】【課題】繊維強化複合材料シートに付属パーツを一体化させた一体成形物を提供する。【解決手段】厚さ０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの繊維強化複合材料シートに、熱可塑性樹脂を含む裏打樹脂が射出成形またはプレス成形によって成形された、以下の１〜３の工程を含む一体成形物の製造方法。１  熱可塑性樹脂の軟化温度以上に加熱した金型中に繊維強化複合材料シートを挿入し２  金型中に裏打樹脂の注入を行い、３  圧力を付与しつつ、金型を熱可塑性樹脂の固化温度以下に冷却し、一体成形物を得る【選択図】図２
2012206446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの繊維強化複合材料シートに、裏打樹脂が射出成形またはプレス成形によって成形された、以下の１〜３の工程を含む一体成形物の製造方法。
１  熱可塑性樹脂の軟化温度以上に加熱した金型中に繊維強化複合材料シートを挿入し
２  金型中に裏打樹脂の注入を行い、
３  圧力を付与しつつ、金型を熱可塑性樹脂の固化温度以下に冷却し、一体成形物を得る
【請求項２】
繊維強化複合材料シートにおける強化繊維が炭素繊維であり、炭素繊維が連続繊維または不連続繊維である請求項１に記載の一体成形物の製造方法。
【請求項３】
繊維強化複合材料シートが、熱可塑性樹脂を含浸し製品形状に賦形させたものである請求項１または２に記載の一体成形物の製造方法。
【請求項４】
付属パーツ形成部がランナーによって繋がっている金型を使用する請求項１〜３のいずれかに記載の一体成形物の製造方法。
【請求項５】
シェアエッジ構造を有しかつ、クリアランスが０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍ未満である金型を使用して成形する請求項１〜４のいずれかに記載の一体成形物の製造方法。
【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シートに裏打樹脂により成形される付属パーツを一体化させた一体成形物の製造方法である。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度、比剛性を利用して、自動車、航空機、スポーツ・レジャーなど様々な用途に使用されている。近年、二酸化炭素の排出規制が厳しくなるにつれ、自動車業界では車体の軽量化が必要となっている。そのような中で炭素繊維は比強度、比剛性が優れているため、軽量化の効果が大きいという利点がある。さらに、熱可塑性樹脂をマトリックスとした炭素繊維複合材料はその成形性の良さから量産品への適用が期待されている。特に射出成形は連続成形品の生産には適しており、繊維強化複合材料シートを金型内にセットして、付属パーツを形成する裏打ち材の接着を連続して行うことができる。しかし、この方法では裏打ち材の熱により繊維強化複合材料シートの表面に樹脂ヒケが生じてしまい、意匠性が低下してしまうことや、金型表面の転写が充分に行なえないなどの問題がある。表面の意匠性を改善するために、金型のコア若しくはキャビ側に断熱層や薄膜金属層を挿入して熱の伝わりを抑制する技術がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、繊維強化複合材料シートに付属パーツを一体化させた一体成形物の製造方法である。なかでも薄い繊維強化複合材料シートの表面の意匠性を維持したまま、裏打樹脂を成形して付属パーツを付与しようとするものである。さらには裏打樹脂を、繊維強化複合材料シートの全面ではなくランナーを通して射出成形または、プレス成形によって成形することで、軽量効果も高い一体成形物の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は薄い繊維強化複合材料シートに付属パーツを一体化させた一体成形物の製造方法であって、裏打ち樹脂の冷却時の固化収縮によるヒケ（収縮歪み）の発生を抑制しようとするものである。すなわち本発明は厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの繊維強化複合材料シートに、熱可塑性樹脂を含む裏打樹脂が射出成形またはプレス成形によって成形された、以下の１〜３の工程を含む一体成形物の製造方法である。
１  熱可塑性樹脂の軟化温度以上に加熱した金型中に繊維強化複合材料シートを挿入し
２  金型中に裏打樹脂の射出および注入を行い、
３  圧力を付与しつつ、金型を熱可塑性樹脂の固化温度以下に冷却し、成形物を得る
【発明の効果】
【０００６】
本発明の一体成形物の製造方法により、炭素繊維強化複合材料シートが薄ものであっても、表面に樹脂のヒケを発生させることなく付属パーツが付与された一体成形物を製造することができ、高い意匠性と軽量化の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】炭素繊維複合材料シートの形状例
【図２】裏打樹脂付与後の炭素繊維複合材料シートの略図
【図３】クリップ、ボス、リブ、ランナーの形状寸法図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［繊維強化複合材料シート］
本発明で用いられる繊維強化複合材料シートは強化繊維と熱可塑性樹脂を積層させホットプレスで熱可塑性樹脂を含浸させたものである。繊維強化複合材料シートは厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍである。本発明の効果、すなわち意匠性、軽量化の効果が得られる観点から、０．１〜１．５ｍｍ、さらには０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内にあることがより好ましい。
【０００９】
繊維強化複合材料シートにおいて強化繊維は好ましくは炭素繊維であり、炭素繊維が連続繊維または、不連続繊維である。強化繊維が炭素繊維の場合、平均繊維径は好ましくは３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。
【００１０】
連続繊維の場合は繊維束が１０００本〜５万本までの炭素繊維から作製した織物、一方向（ＵＤ）等が使用できるが、意匠性が好まれる織物を使用する方が好ましい。不連続繊維の場合は繊維束が１０００本〜５万本までの炭素繊維を５ｍｍ〜１００ｍｍの長さにカットしたものを使用することができるが、コストの面から炭素繊維は２万本以上のものを使用することが好ましく、意匠性の面から１０ｍｍ〜３０ｍｍの長さにカットした繊維を使用することが好ましい。
【００１１】
強化繊維複合材料シートを構成する熱可塑性樹脂は例えばポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂等を好ましく挙げることができる。炭素繊維の意匠性を活かすためには、透明であるポリカーボネート、ＡＳ樹脂、アクリル系樹脂を使用することが好ましい。含浸させる熱可塑性樹脂の形態は特に制限が無く、フィルム、不織布、パウダー、繊維状のものが使用できるが、繊維強化複合材料シートの厚さを安定させるためにはフィルムを使用することが好ましい。
【００１２】
強化繊維複合材料シートを構成する熱可塑性樹脂と強化繊維との量比にとくに限定はないが、熱可塑性樹脂１００容量部に対し、強化繊維１０〜１５０容量部であることが好ましく、さらには強化繊維５０〜１００容量部である。
【００１３】
本発明の炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸方法はとくに限定はないが、熱可塑性樹脂の軟化温度以上、結晶性樹脂であれば融点以上、非晶性樹脂であればガラス転移温度以上でホットプレスにより炭素繊維へ熱可塑性樹脂を含浸させる。
【００１４】
繊維強化複合材料シートは、熱可塑性樹脂を含浸し製品形状に賦形させたものであることが好ましい。図１に炭素繊維複合材料シートの形状の一例を示す。繊維強化複合材料シートの賦形方法はとくに限定はないが、好ましくは熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化複合材料シートを熱風乾燥機もしくは赤外線加熱炉で軟化するまで加熱を行い、金型温度を熱可塑性樹脂のガラス転移温度以下に保った金型でコールドプレスを行い賦形された繊維強化複合材料シートを作製する方法が挙げられる。
【００１５】
［裏打樹脂］
本発明方法で製造する一体成形物は、繊維強化複合材料シートに、裏打樹脂が射出成形または、プレス成形によって成形されたものである。裏打樹脂は、付属パーツを形成するためのものである、付属パーツは、例えば製品取り付けのための部品や補強用の部品であり、具体的には補強リブ、取り付けクリップ、ボス等である。
【００１６】
裏打樹脂は熱可塑性樹脂から主としてなり、本発明の目的を損なわない範囲で各種添加剤を含んでも良い。裏打樹脂に用いられる熱可塑性樹脂の種類としてはポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂または、それらのアロイ、発泡体等を挙げることができる。接着性を良好にするために繊維強化複合材料シートを構成する熱可塑性樹脂と同種類のものを使用することが好ましい。
【００１７】
［金型］
本発明方法に好ましく用いられる金型は、付属パーツ形成部がランナーによって繋がっている金型である。裏打樹脂付与後の炭素繊維複合材料シートの具体例（略図）を図２に示すが、このような型を用いてリブ、ボス、クリップがランナーによって繋がっている一体成形物を得ることができる。
【００１８】
金型はコア側および／またはキャビ側がシェアエッジ構造（食い切り構造）を有しているものが好ましい。シェアエッジ構造のシェアの角度はとくに限定はないが、１°〜３°であることが好ましい。金型のクリアランスが０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１９】
［工程１］
工程１では、前述の繊維強化複合材料シートを樹脂の軟化温度以上に保持された金型内に挿入する。金型温度は樹脂の種類により適宜選択され、結晶性樹脂の場合は融点＋０℃〜＋２０℃の範囲内にあることが好ましく、非晶性樹脂ではガラス転移温度＋０度〜＋５０℃以内の範囲内にあることが好ましい。金型温度が低いと繊維強化複合材料の意匠性を得ることが困難になる場合があり、高すぎると繊維強化複合材料シートの熱可塑性樹脂が流動してしまい寸法精度を得ることが困難になる場合がある。
【００２０】
［工程２］
工程２で金型中に裏打樹脂の注入を行う。上述に好ましい態様として記載したような付属パーツがランナーで繋がっていて裏打樹脂が製品裏面全体に無い場合、注入時に型締めを完全にしてしまうと圧縮時に圧力がかからない箇所が出来てしまうことがある。また金型を開きすぎた状態で裏打樹脂を注入するとバリの発生に繋がってしまうことがある。そのため、金型を完全には型締めせずに、インサート材料の厚さよりも０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ厚く開き、射出成形機もしくは、プレス機と樹脂注入ユニットの組み合わせられた機械により裏打ち樹脂を金型内に注入することが好ましい。注入樹脂の温度は金型内へ流動する温度であれば良く、保圧はかけても、かけなくても良い。
【００２１】
［工程３］
工程３では、工程２の裏打樹脂注入後に圧力を付与しつつ、金型を繊維強化複合材料シートあるいは裏打樹脂を構成する熱可塑性樹脂の固化温度以下に冷却し、成形物を得る。具体的には裏打樹脂の注入が完了と同時に、射出成形機もしくはプレス機械で圧縮を行なう。加圧力は製品単位面積あたり１ｋｇ／ｃｍ２〜１５０ｋｇ／ｃｍ２が好ましく、安定した寸法と高意匠性を得るためには５ｋｇ／ｃｍ２〜１００ｋｇ／ｃｍ２の加圧力の範囲内にあることが好ましい。
【００２２】
加圧力を加えた状態で金型を熱可塑性樹脂の固化温度以下に冷却する。具体的には金型温度は６０℃〜１５０℃の範囲から任意に設定し冷却するが、裏打樹脂、繊維強化複合材料シートに使用されている熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合は結晶化温度以下まで、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度以下まで冷却する。繊維強化複合材料シートを構成する熱可塑性樹脂と、裏打樹脂を構成する熱可塑性樹脂が異なる場合、それぞれの固化温度の低い方の温度以下に金型を冷却し固化させる。ただし、使用されている樹脂がアロイの場合で明確な結晶化温度、ガラス転移温度を持たない場合はこの限りではなく、樹脂が充分に固化する温度を固化温度とする。
【００２３】
［一体成形物］
本発明で得られる一体成形物は、インスツルメントパネル、ドアトリム、スカッフプレート、ピラー、コンソール等の自動車用内装部品や各種電気製品の筐体、機械・装置の筐体等に用いることができる。
【実施例】
【００２４】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。本実施例では、補強リブ１（幅２ｍｍ、高さ５ｍｍ）、補強リブ２（幅１．５ｍｍ、高さ２０ｍｍ）、取り付けクリップ（幅２ｍｍ、高さ１５ｍｍ）、ボス（幅１０ｍｍ、高さ１５ｍｍ）の４種類の付属パーツを設ける。
【００２５】
［実施例１］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とメタクリル樹脂（住友化学社製  スミペックス（登録商標）ＬＧ２１  固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をメタクリル樹脂フィルム３００μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを成形した。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．７ｍｍであり、Ｖｆ＝１６％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１３０℃に温度調節された金型内に挿入後、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、金型の冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに２０ｔｏｎ（５０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を６０℃まで冷却し型開きをして製品を得た。表１に示す通り外観を確認したが、表面の樹脂ヒケは見られなかった。
【００２６】
［実施例２］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とメタクリル樹脂（住友化学社製  スミペックス（登録商標）ＬＧ２１固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をメタクリル樹脂フィルム１２５μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを得た。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．３ｍｍであり、Ｖｆ＝３８％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１３０℃に温度調節された金型内に挿入後、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、金型の冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに２０ｔｏｎ（５０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を６０℃まで冷却し型開きをして製品を得た。表１に示す通り外観を確認したが、表面の樹脂ヒケは見られなかった。
【００２７】
［実施例３］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とポリカーボネート（帝人化成社製  Ｌ１２２５固化温度１５０℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をポリカーボネート樹脂フィルム１２５μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを得た。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．３ｍｍであり、Ｖｆ＝３８％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１６０℃に温度調節された金型内に挿入後、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、金型の冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに３０ｔｏｎ（８０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を６０℃まで冷却し型開きをして製品を得た。表１に示す通り外観を確認したが、表面の樹脂ヒケは見られなかった。
【００２８】
［実施例４］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とポリプロピレン（三井化学東セロ  ＣＰ−Ｓ２５固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をポリプロピレン樹脂フィルム１２５μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを得た。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．３ｍｍであり、Ｖｆ＝３８％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１６０℃に温度調節された金型内に挿入後、型締めと同時に裏打ち用のポリプロピレン樹脂（株式会社プライムポリマー  プライムポリプロ（登録商標）Ｊ１０６Ｇ固化温度１００℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、金型の冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに３０ｔｏｎ（８０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を５０℃まで冷却し型開きをして製品を得た。表１に示す通り外観を確認したが、表面の樹脂ヒケは見られなかった。
【００２９】
［実施例５］
炭素繊維として東邦テナックス社製  ＳＴＳ４０−２４ＫＳを使用し、炭素繊維を１６ｍｍの長さにカット、散布と同時に、帝人化成社製のポリカーボネート  パンライト（登録商標）固化温度１５０℃、を冷凍粉砕し、更に２０メッシュ及び３０メッシュにて分級したパウダー（平均粒子径１．０ｍｍ）を混合し、ホットプレスを行い、含浸シートを得た。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ１．０ｍｍでＶｆ＝１１％の炭素繊維複合材料シートを得た。炭素繊維複合材料シートを１６０℃に温度調節された金型内に挿入後、型締めと同時にＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、金型の冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに３０ｔｏｎ（８０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を６０℃まで冷却し型開きをして製品を得た。表１に示す通り外観を確認したが、表面の樹脂ヒケは見られなかった。
【００３０】
［比較例１］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とメタクリル樹脂（住友化学社製  スミペックス（登録商標）ＬＧ２１固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をメタクリル樹脂フィルム３００μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを成形した。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．７ｍｍであり、Ｖｆ＝１６％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１３０℃に温度調節された金型内に挿入し、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、圧力をかけず金型温度６０℃まで冷却して、型開きを行った。取り出した製品の表面の意匠性は金型表面を充分に転写したものであったが、一部分で裏打ちのクリップ、ボス、リブが原因と考えられる幅１ｍｍ〜６ｍｍの大きさの樹脂ヒケが確認できた。
【００３１】
［比較例２］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とメタクリル樹脂（住友化学社製  スミペックス（登録商標）ＬＧ２１固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をメタクリル樹脂フィルム３００μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを成形した。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．７ｍｍであり、Ｖｆ＝１６％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを１３０℃に温度調節された金型内に挿入し、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、冷却と同時に炭素繊維複合材料シートに３０ｔｏｎ（８０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加え、金型温度１３０℃にて型開きを行った。取り出した製品は形状が安定せず、取り出し直後形状が崩れてしまい、２分後には、裏打ちのクリップ、ボス、リブが原因と考えられる幅２ｍｍ〜１４ｍｍの大きさの樹脂ヒケが確認できた。
【００３２】
［比較例３］
炭素繊維織物（東邦テナックス社製  Ｗ３１０１）とメタクリル樹脂（住友化学社製  スミペックス（登録商標）ＬＧ２１固化温度１００℃）を用いて炭素繊維織物２００ｇ／ｍ２をメタクリル樹脂フィルム３００μｍで挟み込んでホットプレスにより含浸シートを成形した。その後コールドプレスにより賦形を行い、図１に示す形状の厚さ０．７ｍｍであり、Ｖｆ＝１６％の炭素繊維複合材料シートを得た。
炭素繊維複合材料シートを７８℃に温度調節された金型内に挿入し、型締めと同時に裏打ち用のＡＢＳ樹脂（日本Ａ＆Ｌ  クララスチック（登録商標）ＳＸＤ２２０固化温度８０℃）を射出し、図２、図３に示す形状のクリップ、ボス、リブを射出成形した。裏打ち樹脂の射出後、炭素繊維複合材料シートに３０ｔｏｎ（８０ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えたまま、金型を６０℃まで冷却し型開きをする。取り出した製品の表面の意匠性は充分に金型表面を転写したものではなく、裏打ちのクリップ、ボス、リブが原因と考えられる幅１ｍｍ〜４ｍｍの大きさの樹脂ヒケも確認された。
以下表１に実施例と比較例の成形体表面の成形結果をまとめた。
【００３３】
【表１】
2012206446.tif 000003
【符号の説明】
【００３４】
１  リブ形状１
２  リブ形状２
３  ボス形状
４  取り付けクリップ
５  ランナー
６  ゲート
【図１】
2012206446.tif 000004
【図２】
2012206446.tif 000005
【図３】
2012206446.tif 000006