(57)【要約】【課題】通常の温間プレス成形等によって生産性よく製造でき、しかも連続繊維中に熱可塑性樹脂が良好に含浸されて欠陥等が少なく高い強度を有する上、現状よりも靭性、特に摺動特性等に寄与する表面の耐摩耗性にも優れた繊維強化熱可塑性樹脂部材を提供する。【解決手段】連続繊維２に熱可塑性樹脂３を含浸させて形成した繊維強化熱可塑性樹脂部材１の表面に、上記熱可塑性樹脂３より分子量の大きい熱可塑性樹脂４からなる表層５を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させて形成され、その表面に、前記内部の熱可塑性樹脂より分子量の大きい熱可塑性樹脂からなる表層を備える繊維強化熱可塑性樹脂部材。
【請求項２】
前記内部の熱可塑性樹脂は、数平均分子量Ｍｎが５００００以下である請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材。
【請求項３】
前記表層の厚みは１００μｍ以下である請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材。
【請求項４】
前記表層は、前記内部の熱可塑性樹脂と同種でかつ分子量の大きい熱可塑性樹脂からなる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱可塑性樹脂を炭素繊維によって強化して高い靭性を付与した炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ：Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics）等の、繊維強化熱可塑性樹脂からなる部材の、自動車部品等への適用が検討されている。
上記部材（繊維強化熱可塑性樹脂部材）は、例えば炭素繊維等からなるシート状の連続繊維と、ポリアミド（ＰＡ）等の熱可塑性樹脂のシートとをそれぞれ必要な枚数だけ積層して、熱可塑性樹脂の溶融温度以上で温間プレス成形、温間ロール成形等することにより、上記熱可塑性樹脂を溶融させて連続繊維中に含浸させるとともに全体を一体化させて製造するのが一般的である。
【０００３】
しかし熱可塑性樹脂は溶融時でも、液状の熱硬化性樹脂に比べて粘度が高いため連続繊維中へ含浸させにくく、強度低下の原因となる欠陥（ボイド）等を生じやすいという問題がある。
そのため現状では、できるだけ低分子量で流動性の大きい熱可塑性樹脂を含浸させるのが一般的であり、それによって欠陥等を少なくして繊維強化熱可塑性樹脂部材の強度は向上できるものの、背反として当該繊維強化熱可塑性樹脂部材の強みであるはずの靭性が犠牲になり、特に摺動特性等に寄与する表面の耐摩耗性が不十分になるという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、熱可塑性樹脂の粉末と、あらかじめ同種の熱可塑性樹脂によって被覆した不連続繊維とを気流中で混合したのち温間プレス成形によって熱可塑性樹脂を溶融、一体化させて繊維強化熱可塑性樹脂部材を製造することが開示されている。
また特許文献２には、気流中に分散させた不連続繊維に界面活性剤、次いでエラストマーの希釈溶液を吹き付けて混合し、さらに乾燥させたのち熱可塑性樹脂と溶融、混錬して射出成形等によって繊維強化熱可塑性樹脂部材を製造することが開示されている。
【０００５】
上記いずれの製造方法でも、欠陥等が少なく熱可塑性樹脂が均一に充てんされた繊維強化熱可塑性樹脂部材を製造することはできる。
しかしいずれの場合も、不連続繊維を気流中に分散させて熱可塑性樹脂等と混合する工程を要するため製造工程が多くなって繊維強化熱可塑性樹脂部材の生産性が低下する上、使用できる繊維が気流中に分散可能な短い不連続繊維に限られるため繊維強化熱可塑性樹脂部材の強化が不十分になるという問題がある。
【０００６】
特許文献３には、シート状の連続繊維に第１の樹脂を不連続に付着させるか、または第１の樹脂の溶融温度では溶融しない第２の樹脂を第１の樹脂を介して不連続に付着させてなる基材同士を、上記第１または第２の樹脂によって互いに接着してプリフォームを作製し、さらに第３の樹脂を含浸させて繊維強化樹脂部材を作製することが開示されている。
しかし特許文献３では、第３の樹脂が液状の熱硬化性樹脂に限定されている（段落[００７３]〜[００７７]）。
【０００７】
第３の樹脂として、上記熱硬化性樹脂に代えて熱可塑性樹脂を採用しようとすると、依然として流動性の大きい分子量の小さい熱可塑性樹脂を選択しなければならず、靭性や耐摩耗性の不足の問題が解消されることはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２００２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２０１９６６号公報
【特許文献３】特開２００３−８２１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、通常の温間プレス成形等によって生産性よく製造でき、しかも連続繊維中に熱可塑性樹脂が良好に含浸されて欠陥等が少なく高い強度を有する上、現状よりも靭性、特に摺動特性等に寄与する表面の耐摩耗性にも優れた繊維強化熱可塑性樹脂部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、連続繊維（２）に熱可塑性樹脂（３）を含浸させて形成され、その表面に、前記内部の熱可塑性樹脂より分子量の大きい熱可塑性樹脂（４）からなる表層（５）を備える繊維強化熱可塑性樹脂部材である。
請求項２に記載の発明は、前記内部の熱可塑性樹脂は、数平均分子量Ｍｎが５００００以下である請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記表層の厚みは１００μｍ以下である請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材である。
請求項４に記載の発明は、前記表層は、前記内部の熱可塑性樹脂と同種でかつ分子量の大きい熱可塑性樹脂からなる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂部材である。
【００１２】
なお上記において括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号によって特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、通常の温間プレス成形等によって熱可塑性樹脂を連続繊維に含浸させることで、繊維強化熱可塑性樹脂部材を生産性よく製造できる。
また連続繊維に含浸されて繊維強化熱可塑性樹脂部材の内部を構成する熱可塑性樹脂として、流動性が大きく分子量の小さい、したがって連続繊維中に含浸されやすい熱可塑性樹脂を選択的に使用して上記内部に欠陥等が生じるのを抑制できる。
【００１４】
そのため強化繊維として連続繊維を使用していることと相まって繊維強化熱可塑性樹脂部材の強度を向上できる。
その上、上記熱可塑性樹脂よりも分子量の大きい熱可塑性樹脂によって繊維強化熱可塑性樹脂部材の表層を形成して、現状よりも当該繊維強化熱可塑性樹脂部材の靭性、特に摺動特性等に寄与する表面の耐摩耗性を向上できる。
【００１５】
また上記表層は、繊維強化熱可塑性樹脂部材に曲げ応力が加わった際に最も引張または圧縮の応力が加わる箇所であるため、当該表層を上記のように靭性の高い、分子量の大きい熱可塑性樹脂によって形成することで、当該繊維強化熱可塑性樹脂部材の曲げ応力に対する耐性、すなわち曲げ物性を向上することもできる。
請求項２に記載の発明によれば、上記内部の熱可塑性樹脂として数平均分子量Ｍｎが５００００以下の、流動性が大きく分子量の小さいものを選択して用いることにより、上述したように内部に欠陥等が生じるのをより一層良好に抑制できる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、上記表層の厚みを１００μｍ以下とすることにより、当該表層を形成する分子量の大きい、したがって流動性が小さく連続繊維に含浸されにくい熱可塑性樹脂の、当該連続繊維への含浸距離をできるだけ短くして表層の近傍で欠陥等が生じるのを良好に抑制できる。
さらに請求項４に記載の発明によれば、上記表層を形成する熱可塑性樹脂として、上記内部の熱可塑性樹脂と同種でかつ分子量の大きいものを選択して用いることにより、当該表層の繊維強化熱可塑性樹脂部材との一体性、密着性を高めてその剥離をより一層良好に抑制できる。
【００１７】
なお本発明では熱可塑性樹脂の数平均分子量を、カラムとして東ソー(株)製のＴＳＫｇｅｌ（登録商標）ＳｕｐｅｒＨＭ−Ｍを用いたＧＰＣ法によって測定した結果からポリスチレン換算した値でもって表すこととする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の繊維強化熱可塑性樹脂部材の、実施の形態の一例の内部を拡大した断面図である。
【図２】図１の例の繊維強化熱可塑性樹脂部材を製造する工程の一例を説明する斜視図である。
【図３】炭素繊維からなるシート状の連続繊維に、数平均分子量Ｍｎが約２００００であるＰＡ６６を温間プレス成形によって含浸させた断面を示す実体顕微鏡写真である。
【図４】炭素繊維からなるシート状の連続繊維に、数平均分子量Ｍｎが約４００００であるＰＡ６６を温間プレス成形によって含浸させた断面を示す実体顕微鏡写真である。
【図５】炭素繊維からなるシート状の連続繊維に、数平均分子量Ｍｎが約６００００であるＰＡ６６を温間プレス成形によって含浸させた断面を示す実体顕微鏡写真である。
【図６】熱可塑性樹脂としてのＰＡ６６の数平均分子量Ｍｎと耐摩耗性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂部材の、実施の形態の一例の内部を拡大した断面図である。また図２は、図１の例の繊維強化熱可塑性樹脂部材を製造する工程の一例を説明する斜視図である。
図１を参照して、この例の繊維強化熱可塑性樹脂部材１は、複数層（図では４層）のシート状の連続繊維２を、当該連続繊維２中に含浸させた熱可塑性樹脂３によって一体化させて形成されているとともに、その両面に、内部の熱可塑性樹脂３より分子量の大きい熱可塑性樹脂４からなる表層５を備えている。
【００２０】
上記例の繊維強化熱可塑性樹脂部材１によれば、連続繊維２に含浸されてその内部を構成する熱可塑性樹脂３として、流動性が大きく分子量の小さい、したがって連続繊維２中に含浸されやすい熱可塑性樹脂を選択的に使用して上記内部に欠陥等が生じるのを抑制できる。
そのため強化繊維として連続繊維２を使用していることと相まって繊維強化熱可塑性樹脂部材１の強度を向上できる。
【００２１】
また上記内部の熱可塑性樹脂３よりも分子量の大きい熱可塑性樹脂４によって繊維強化熱可塑性樹脂部材１の表層５を形成して、現状よりも当該繊維強化熱可塑性樹脂部材１の靭性、特に摺動特性等に寄与する表面の耐摩耗性を向上できる。
また上記表層５は、繊維強化熱可塑性樹脂部材１に曲げ応力が加わった際に最も引張または圧縮の応力が加わる箇所であるため、当該表層５を上記のように靭性の高い、分子量の大きい熱可塑性樹脂４によって形成することで、当該繊維強化熱可塑性樹脂部材１の曲げ物性をも向上できる。
【００２２】
さらに図２を参照して、上記例の繊維強化熱可塑性樹脂部材１は、通常の温間プレス成形等によって熱可塑性樹脂を連続繊維に含浸させることで生産性良く製造できる。
すなわち複数層のシート状の連続繊維２と、当該連続繊維２中に含浸させる熱可塑性樹脂３のもとになる熱可塑性樹脂のシート３′とを複数層ずつ交互に積層するとともに、その最上層と最下層にそれぞれ表層５のもとになる熱可塑性樹脂４のシート４′を積層する。
【００２３】
次いで上記積層体の全体を、熱可塑性樹脂３、４の融点以上の温度に加熱しながら図中に白矢印で示す積層方向に加圧する温間プレス成形、温間ロール成形等を実施すると、両熱可塑性樹脂３、４が溶融されるとともに連続繊維２中に含浸され、全体が一体化されて、図１の例の繊維強化熱可塑性樹脂部材１が製造される。
熱可塑性樹脂３、４としては、例えばＰＡ６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ４６、ＰＡ６６、ＰＡ６１２、ＰＡ６１０、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＡ６Ｉ、ＰＡＭＸＤ６等のポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン等の熱可塑性樹脂の１種または２種以上が使用可能である。
【００２４】
特に繊維強化熱可塑性樹脂部材１の強度と汎用性との兼ね合いを考慮するとポリアミドが好ましい。
また熱可塑性樹脂３、４としては、分子量が異なる以外は同種の熱可塑性樹脂を組み合わせて使用するのが好ましい。例えば熱可塑性樹脂３としてポリアミドを使用する場合は、熱可塑性樹脂４として、より分子量の大きいポリアミドを組み合わせて使用すればよい。
【００２５】
これにより、上述した温間プレス成形等によって両熱可塑性樹脂３、４をその界面で良好に溶融、一体化でき、表層５の繊維強化熱可塑性樹脂部材１との一体性、密着性を高めて当該表層５の、応力が加わった際の剥離をより一層良好に抑制できる。
そのため繊維強化熱可塑性樹脂部材１の表面の耐摩耗性をより一層向上したり、繊維強化熱可塑性樹脂部材１に曲げ応力が加わった際の剥離を抑制して曲げ物性をさらに向上したりできる。
【００２６】
繊維強化熱可塑性樹脂部材１の内部を形成する熱可塑性樹脂３は、温間プレス成形等によって溶融させた際にできるだけ低粘度化させて、連続繊維２中にスムースにそして欠陥等を生じることなく均一に含浸させるために数平均分子量Ｍｎが５００００以下であるのが好ましい。
熱可塑性樹脂３の数平均分子量Ｍｎがこの範囲であるのが好ましいことは、例えば下記の試験結果からも明らかである。
【００２７】
すなわち図３〜図５は、それぞれ炭素繊維からなるシート状の連続繊維に、数平均分子量Ｍｎが約２００００（図３）、約４００００（図４）、ならびに約６００００（図５）であるＰＡ６６を同条件で温間プレス成形によって含浸させた断面を示す実体顕微鏡写真である。
具体的には、多数の炭素繊維を一方向に配向させた繊維束からなるシート状の連続繊維〔ＵＤ(Uni Direction)材〕を複数層、上記炭素繊維の配向方向を直交させながら、また間に上記いずれかの数平均分子量Ｍｎを有するＰＡ６６のシートを挟んだ状態で交互に積層して、温間プレス成形によって一体化させたのち厚み方向にスライスした断面を、実体顕微鏡を用いて撮影している。
【００２８】
各図において縦の白い線の集合は同方向に配向された炭素繊維の束、その間の小さい白い丸の集合は上記と直交方向に配向された炭素繊維の束の断面、灰色はＰＡ６６、そして黒色は欠陥を示している。
上記各図を比較すると、図５では大きな欠陥が多数見られるとともに、ＰＡ６６が炭素繊維の束内まで含浸されずに独立した厚みの大きい層を形成しているのに対し、図３、図４では欠陥やＰＡ６６の独立した層はほとんど見られず、炭素繊維間にＰＡ６６が隙間なく含浸されていることが判る。
【００２９】
そしてこのことから、温間プレス成形等によって溶融させた際にできるだけ低粘度化させて、連続繊維中にスムースにそして欠陥等を生じることなく均一に含浸させるためには、ＰＡ６６等の熱可塑性樹脂の数平均分子量Ｍｎは５００００以下であるのが好ましいことが確認できる。
なお上記効果をより一層向上することを考慮すると、熱可塑性樹脂３の数平均分子量Ｍｎは、上記の範囲でも３００００以下、特に１００００以下であるのが好ましい。
【００３０】
また熱可塑性樹脂３の数平均分子量Ｍｎは、繊維強化熱可塑性樹脂部材１に適度の強度を付与することを考慮すると、上記の範囲でも２０００以上、特に５０００以上であるのが好ましい。
また熱可塑性樹脂３は分子量を一定にせず、表層５に近い位置ほど分子量が大きくなるように、分子量分布に傾斜を持たせてもよい。これにより表層５に近いほど靭性を高めて、繊維強化熱可塑性樹脂部材１の曲げ物性をより一層向上できる。ただし繊維強化熱可塑性樹脂部材１の内部ほど熱可塑性樹脂３を含浸させにくい傾向があるため、このことも考慮して分子量分布の傾斜を設定するのが好ましい。
【００３１】
熱可塑性樹脂３の分子量分布に傾斜を持たせるには、例えば図２の製造方法の場合、シート３′として、厚み方向の内側ほど分子量が小さく、表層５に近いほど分子量が大きいものを選択して使用すればよい。
表層５を形成する熱可塑性樹脂４は、先述したように繊維強化熱可塑性樹脂部材１の表面の耐摩耗性を向上するために、上記熱可塑性樹脂３より分子量を大きくする必要がある。
【００３２】
熱可塑性樹脂の分子量と耐摩耗性との関係は、例えば図６の結果から明らかである。すなわち図６は、熱可塑性樹脂としてのＰＡ６６の数平均分子量Ｍｎと耐摩耗性の関係を示すグラフである。
耐摩耗性の評価は鈴木式摩擦摩耗試験を採用し、数平均分子量Ｍｎの異なるＰＡ６６から作製した同試験用の試験片を使用する。そして各試験片を用いて一定の条件で摩擦摩耗試験を実施した結果から求められる耐摩耗性を、図では数平均分子量Ｍｎが８０００であるＰＡ６６の耐摩耗性を１としたときの相対値で示している。
【００３３】
図から、熱可塑性樹脂としてのＰＡ６６の数平均分子量Ｍｎを大きくするほど耐摩耗性を向上できることが判る。
先の分子量範囲を有する熱可塑性樹脂３と組み合わせる場合、繊維強化熱可塑性樹脂部材１の耐摩耗性をできるだけ効果的に向上するためには、熱可塑性樹脂４の数平均分子量Ｍｎは１００００以上、特に１５０００以上で、なおかつ熱可塑性樹脂３の数平均分子量Ｍｎより大きい範囲であるのが好ましい。
【００３４】
また熱可塑性樹脂４の数平均分子量Ｍｎは、温間プレス成形等によって溶融させた際にできるだけ低粘度化させて、連続繊維２中にスムースに、そして欠陥等を生じることなく均一に含浸させたり、内部の熱可塑性樹脂３と良好に溶融、一体化させたりするために５５０００以下、特に５００００以下であるのが好ましい。
また熱可塑性樹脂４からなる表層５の厚みは１００μｍ以下であるのが好ましい。
【００３５】
厚みがこの範囲を超える表層５を形成するには連続繊維２の内部の奥深くまで熱可塑性樹脂４を含浸させなければならないが、当該熱可塑性樹脂４は内部の熱可塑性樹脂３より流動性が小さく連続繊維に含浸されにくいため含浸距離が長くなるほど欠陥等を生じやすくなるおそれがある。
これに対し表層５の厚みを１００μｍ以下とすれば、上記熱可塑性樹脂４の連続繊維２への含浸距離をできるだけ短くして、特に当該表層５の近傍で欠陥等が生じるのを良好に抑制できる。
【００３６】
なお表層５の厚みの下限は任意に設定できる。すなわち表層５を形成する熱可塑性樹脂４の分子量とそれに基づく耐摩耗性、ならびに繊維強化熱可塑性樹脂部材１に求められる耐摩耗性、すなわち許容される摩耗量等に応じた任意の厚みとすることができる。
表層５の厚みを調整するには、そのもとになる熱可塑性樹脂４のシート４′の厚みを変更すればよい。またこのことから表層５の厚みは、シート４′の取り扱い性、ひいては図２の方法によって繊維強化熱可塑性樹脂部材１を製造する際の作業性、生産性等を向上すること等を考慮して、上記の範囲でも２０μｍ以上、特に４０μｍ以上とするのが好ましい。
【００３７】
シート状の連続繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等のシートが挙げられる。
また連続繊維の形態としては、当該連続繊維を一方向に配向させたＵＤ材であってもよいし、連続繊維を織りあげたクロス材であってもよい。クロス材の織り方としては平織、綾織、朱子織、からみ織、模紗織、斜紋織等の一般的に知られている織り方が挙げられるが、樹脂を含浸できる織り方であればこれらに限られない。
【００３８】
特に炭素繊維のＵＤ材が好ましい。２層以上のＵＤ材は、先述したように連続繊維を交互に直交させて積層してもよいし、積層する全てのＵＤ材の連続繊維の配向方向が重ならないようにランダムに配向させて積層してもよい。
本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば繊維強化熱可塑性樹脂部材は平板状には限定されず、所定の立体形状を有する金型を使用した温間プレス成形等によって、半筒状等の任意の立体形状に形成することもできる。
【００３９】
また表層は繊維強化熱可塑性樹脂部材の両面にではなく、耐摩耗性等が求められる片面のみに形成するだけでもよい。
上記本発明の繊維強化熱可塑性樹脂部材は、上記のように高い強度を有する上、表面の耐摩耗性や曲げ物性にも優れているため、例えば従来は金属製であったラックハウジング等の自動車部品などの各種機械部品を置き換えて、これらの部品の軽量化やさらなる高剛性化、あるいは高機能化等を実現しうる可能性がある。
【００４０】
また本発明の構成は自動車部品の他、例えば鉄道車両、船舶、航空機等の部品や工作機械部品等の各種分野で使用される部品に適用できる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…繊維強化熱可塑性樹脂部材、２…連続繊維、３…熱可塑性樹脂、３′…シート、４…熱可塑性樹脂、４′…シート、５…表層
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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