JP2018024097A - 繊維強化樹脂成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空隙（ボイド）の少ない高品質の繊維強化樹脂成形体の製造方法の提供【解決手段】繊維強化樹脂中間材を成形下型の上に配置し、該繊維強化樹脂中間材の上に、成形上型をその外縁が該繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように積載し、これらの上に通気性のないシートを被せ、該シートの該繊維強化樹脂中間材側を減圧した状態下にて、該繊維強化樹脂中間材を加熱硬化する、繊維強化樹脂成形体の製造方法。前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型のそれぞれの重心を結ぶ直線と、該繊維強化樹脂中間材と該成形上型の積載方向とが略平行の関係となっている、繊維強化樹脂成形体の製造方法。【選択図】 なし

Description

本発明は、繊維強化樹脂成形体の製造方法に関する。

強化繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料は、軽量で優れた機械特性を有するため、航空宇宙用途、自動車用途、スポーツ用途、一般産業用途等に広く用いられている。繊維強化複合材料は、中間材料である繊維強化複合材料用プリプレグを成形することによって得られる。

プリプレグは、強化繊維に熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸させたものである。プリプレグ用の樹脂としては、繊維強化複合材料の耐熱性等の点から、主として熱硬化性樹脂が用いられ、耐熱性、弾性率、低硬化収縮性、耐薬品性等に優れた繊維強化複合材料が得られる点から、エポキシ樹脂が最もよく用いられる。

プリプレグを所望の形状を有する型に沿って様々な繊維方向、枚数を積層した後、例えば、熱プレスや高温高圧釜（オートクレーブ）を用いて加熱硬化させることによって、繊維強化樹脂成形体を得ることができる。

オートクレーブを使用する場合には、例えば特許文献１に示されるような、アルミニウムやステンレス製台板から構成される成形下型の上に、プリプレグを所望の繊維方向、枚数を積層した後、その上部に離型フィルムを介して、成形上型やプレッシャープレートと呼ばれる、台板と同様、アルミニウムやステンレス製等の金属板を積載した上で、通気性を有するブリーザークロスを重ね、最後に通気性の無い、伸張性のあるシリコーンやポリアミド等のプラスチック製のシート（真空バッグフィルム）を重ね、真空吸引することで該バッグフィルムの内側を密閉し、オートクレーブ内で積層体に外圧を加えた状態下で加熱硬化させるという方法によって、成形物を製造することができる。

しかしながら、上記のような方法で製造する場合、加圧性能に優れたオートクレーブを用いた場合であっても、内部に空隙（ボイド）の無い繊維強化樹脂成形体を得ることは難しかった。

特許文献２には、微細孔を有するグラファイト製の上下型を用いることで、積層されたプリプレグ内やプリプレグ間に存在する空気を効果的に除去することによって、ボイドを低減させることが提案されている。

しかし、この方法では、高価で微細孔を有するグラファイトを用いる必要があり、成形コストが高価になってしまう。

特開平８−３３６８９０号公報 特開平４−００４１１１号公報

本発明は、上記方法による成形に際して、空隙（ボイド）の少ない高品質の成形体を簡便な方法で得ることを目的とする。

本発明は、下記の態様を有する。
［１］繊維強化樹脂中間材を成形下型の上に配置し、該繊維強化樹脂中間材の上に、成形上型をその外縁が該繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように積載し、これらの上に通気性のないシートを被せ、該シートの該繊維強化樹脂中間材側を減圧した状態下にて、該繊維強化樹脂中間材を加熱硬化する、繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［２］前記成形上型の全ての外縁が、前記繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置する、［１］記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［３］前記繊維強化樹脂中間材の外縁の任意の点から前記成形上型の外縁までの最短距離が５〜２０ｍｍの範囲である、［２］記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［４］前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型のそれぞれの重心を結ぶ直線と、該繊維強化樹脂中間材と該成形上型の積載方向とが略平行の関係となっている、［１］〜［３］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［５］前記成形上型の厚みが０．５〜１０ｍｍの範囲である、［１］〜［４］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［６］前記成形上型の材質が金属である、［１］〜［５］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
［７］前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型の間に離形フィルムを配置する、［１］〜［６］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。

本発明により、繊維強化複合材料の加熱加圧成形に際して、プリプレグ積層体のような繊維強化樹脂中間材から空気を短時間で十分に排出し、空隙（ボイド）の少ない高品質の成形体を簡便な方法で得ることができる。

（繊維強化樹脂中間材）
本発明に用いる繊維強化樹脂中間材としては、一方向に連続して配列された複数本の強化繊維にマトリクス樹脂が含浸されたシート状のプリプレグが好適であり、このプレプレグを繊維方向が異なるように複数枚積層したものを用いるのがより好ましい。また、強化繊維から構成される織物、マット、不織布等にマトリクス樹脂が含浸されたプリプレグも適宜使用することができる。

この繊維強化樹脂中間材を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも、比強度及び比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。

また、この繊維強化樹脂中間材を構成するマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。樹脂としては、熱硬化性樹脂のみを用いてもよく、熱可塑性樹脂のみを用いてもよく、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の両方を用いてもよいが、得られる成形物の強度物性や外観に優れることから、熱硬化性樹脂が好ましい。

熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

（成形型）
本発明に好適な成形下型と成形上型の材質としては、鉄、ステンレス、インバー、アルミニウム、ステンレス、コンポジット、木材、石膏等から適宜選択するのが、耐熱性、形状賦形性の点で好ましい。
特に、成形上型の材質は、耐熱性、取り扱い性の点から、ステンレス、アルミニウム等の金属とするのが好ましい。
本発明に使用する成形上型の厚みは、０．５〜１０ｍｍの範囲とするのが好ましい。
これは、成形上型の厚みを０．５ｍｍ以上とすることによって、表面平滑性に優れた繊維強化樹脂成形体が製造される傾向にあるためである。より好ましくは０．７ｍｍ以上である。
また、成形上型の厚みを１０ｍｍ以下とすることによって、成形中に通気性のないシートが破れる不具合が生じにくくなる傾向にあるためである。より好ましくは８ｍｍ以下である。

（繊維強化樹脂中間材の配置と成形上型の積載）
本発明においては、繊維強化樹脂中間材を成形下型の上に配置し、さらに該繊維強化樹脂中間材の上に成形上型を積載する際に、その成形上型の外縁が該繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように積載するのが重要である。これによって、上述の減圧時に繊維強化樹脂中間材から空気を短時間で十分に排出することが可能となり、空隙（ボイド）の少ない高品質の成形体を得ることが可能となる。

この場合、前記成形上型の全ての外縁が、前記繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように成形上型を積載するのがより好ましい。これによって、上記の空気の排出をより確実なものとすることができるためである。

さらに、前記成形上型の全ての外縁が、前記繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように成形上型を積載する場合、この繊維強化樹脂中間材の外縁の任意の点から、この成形上型の外縁までの最短距離が５〜２０ｍｍの範囲となるように成形上型を積載するのが好ましい。
これは、この最短距離を５ｍｍ以上とすることによって、成形上型が繊維強化樹脂中間材に均等に圧力を加える事ができるためである。より好ましくは７ｍｍ以上である。またこの最短距離を２０ｍｍ以下とすることによって、繊維強化樹脂中間材の成形体周囲のトリミングを少なくすることができるためである。より好ましくは１８ｍｍ以下である。

また、前記繊維強化樹脂中間材の上に前記成形上型を積載する際には、それぞれの重心を結ぶ直線と、該繊維強化樹脂中間材と該成形上型の積載方向とが略平行の関係となるのが好ましい。
これは、このような位置関係にて繊維強化樹脂中間材と成形上型を積載することによって、繊維強化樹脂中間材に均等に圧力を加える事ができると同時に、繊維強化樹脂中間材の成形体周囲のトリミングを均等にすることができるためである。

（離形フィルム）
本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法においては、前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型の間に離形フィルムを配置することができる。これによって、成形終了後の成形体と成形上型との分離が容易となるとともに、成形体の外観をより優れたものとすることができる。
本発明での使用に好適な離形フィルムの材質としては、適度な耐熱性を有し、硬化したエポキシ樹脂との離形性に優れるＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレンとエチレンの共重合体）や、ＰＶＦ（ポリビニルフォルマール）等が好ましい。離形フィルムの厚みについては特に制限は無いが、取り扱い性の観点から２０〜６０μｍの範囲とするのが好ましい。

（シート）
本発明において、繊維強化樹脂中間材を成形下型の上に配置し、該繊維強化樹脂中間材の上に成形上型を積載した後に、これらの上に被せるシートは、真空バッグフィルムとも呼ばれ、伸張性を有し、通気性がないことが必要である。
このシートは、室温において１００〜３００％の伸度を有することが好ましい。このシートの伸張性が不充分である場合は、成形時に加圧してもシートが型に沿わないため、つっぱった部分ではシートと繊維強化樹脂中間材との間に空間ができ充分に加圧されないので、この部分に成形不良が発生しやすくなる。
このシートの材質としてはポリアミド、シリコーン等が例示されるが特にこれらに限定されるものではない。また、このシートの厚みは、成形の温度、圧力、シートの材質に応じて任意に設定することができる。また、後述するように、本発明においては、シートを境に減圧や気体による加圧を行うので、このシートは通気性がないことが必須となる。

（ブリーザークロス）
本発明においては、上記の通気性のないシートを被せる前に、ブリーザークロスと呼ばれる織布や不織布等を上記の繊維強化樹脂中間材と成形上型の積載物の上に被せることができる。
このブリーザークロスを使用することによって、繊維強化樹脂中間材の層内、層間、及び上記シートとの間の空気を真空吸引、加圧により効果的に除去することができる。
ブリーザークロスとしては、ガラスクロスの他に、ポリエステル不織布等を好適に用いることができる。

（減圧、加圧方法）
本発明においては、上記のように通気性がないシートを被せた後に、このシートの繊維強化樹脂中間材側を減圧し、できるだけ真空状態に近づけることによって、ボイドの少ない所望の形状の繊維強化樹脂成形体を得ることができる。
また、この減圧と同時に、繊維強化樹脂中間材側の反対側をオートクレーブ等にて加圧することによって、ボイドをさらに減少させることができるとともに、成形体の外観をより優れたものとすることができる。この場合、減圧側の圧力が１０ｋＰａ以下、加圧側の圧力が４００〜７００ｋＰａの範囲であることが好ましい。オートクレーブを利用する場合の加圧媒体としては、窒素等の不活性ガスが好適であるが、空気でも差し支えない。

（成形方法）
本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法において、繊維強化樹脂中間材を加熱硬化させる条件は、特に限定されるものではなく、繊維強化樹脂中間材の加熱条件は、例えば使用するプリプレグを構成する樹脂の特性、すなわち熱硬化性樹脂にあっては硬化温度、硬化に要する時間、熱可塑性樹脂にあっては軟化温度、変形に要する時間によって、適宜設定することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（成形に用いた材料）
下型：アルミニウム製プレート（９５０ｍｍ×４６０ｍｍ×１０ｍｍ厚）
成形上型：ステンレス製プレート（３３０ｍｍ×２８０ｍｍ×１ｍｍ厚）
（３５０ｍｍ×３００ｍｍ×１ｍｍ厚）
プリプレグ：三菱レイヨン製１８０℃硬化型中弾性炭素繊維プリプレグ
離形フィルム：フッ素系樹脂フィルム（旭硝子製、アフレックス２５ＭＷ−１２５０ＮＴ）
ブリーザークロス：ガラスクロス（有沢製作所製、ＥＣＣ１２０ＭＩＬ−Ｃ−９０８４）
通気性のないシート：ＡＩＲＴＥＣＨ製、ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ ＮＹＬＯＮ ＢＡＧＧＩＮＧ ＦＩＬＭ８４００

（空隙の測定方法）
超音波探傷映像化装置（ＫＪＴＤ社製ＳＤＳ−６５００）を用い、水温１５℃の水槽内に成形板を沈め、該成形板の上面から下面へ周波数５ＭＨｚ、強度１８ｄＢの超音波を照射し、その透過率を測定、透過率をグラデーション表示することで空隙の多少を画像化した。

（実施例）
成形下型として１０ｍｍ厚のアルミニウム製プレートを用い、オートクレーブ装置を用い平板を成形した。
まず、繊維強化複合材料用プリプレグとして、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＭＲ５０Ａ−１２Ｋを一方向に引き揃え、１８０℃硬化のエポキシ樹脂を含浸した繊維目付２６８ｇ/ｍ^２、樹脂含有率３５重量％のプリプレグを３５０ｍｍ×３００ｍｍに切り出し、繊維軸方向を０°とした際に[０/＋４５/−４５/０/９０]２sとなる積層構成にて２０枚積層したものを用意し、繊維強化樹脂中間材を準備した。これを成形下型の上に配置し、その上に離形フィルムとして旭硝子株式会社製のアフレックス２５ＭＷ−１２５０ＮＴを被せた。次に、成形上型としてプリプレグ積層体より長辺、短辺それぞれが１０ｍｍ短い、３３０ｍｍ×２８０ｍｍ×１ｍｍ厚のステンレス製プレートを積層体と該成形上型それぞれの長辺、短辺の中心点（重心）が同位置になるように置いた。各辺の任意の点から繊維強化樹脂中間材の外縁への最短距離は１０ｍｍ〜１４ｍｍであった。次に外周部にニトリルゴム製のダムを設置し、ガラスブリーザーとして、有沢製作所製ガラスクロスＥＣＣ１２０ＭＩＬ−Ｃ−９０８４を被せ、最後に通気性のないシートとして、ＡＩＲＴＥＣＨ製ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ ＮＹＬＯＮ ＢＡＧＧＩＮＧ ＦＩＬＭ８４００で成形下型のアルミプレート全体を覆い、繊維強化樹脂中間材側を真空吸引した。これをオートクレーブ内に設置し、繊維強化樹脂中間材側を２ｋＰａに減圧した。オートクレーブ内を１．７℃／分で昇温すると同時に窒素で６５０ｋＰａに加圧した。オートクレーブ内が１４０ｋＰａに到達した際に真空吸引を停止し、繊維強化樹脂中間材側を大気解放した。繊維強化樹脂中間材の温度が１８０℃に達した後、１２０分保持し、これを硬化させた。オートクレーブ内の窒素を排出した後、繊維強化複合材料の成形板を取り出した。
この成形板を上記の方法で空隙の存在状況を画像解析したところ、図１の通り空隙がほぼ皆無であった。

（比較例）
成形上型として、プリプレグ積層体と同寸法の３５０ｍｍ×３００ｍｍ×１ｍｍ厚のステンレス製プレートを用いた以外は実施例１と同様の方法にて成形を行い、繊維強化複合材料成形板を得た。
この成形板を実施例と同様の方法で空隙の存在状況を画像解析したところ、図２の通り全体において空隙が多く残る結果となった。

実施例により得られた成形板の画像解析結果である。 比較例により得られた成形板の画像解析結果である。

本発明によって、空隙（ボイド）の少ない高品質の繊維強化樹脂成形体を簡便な方法で得ることができる。

Claims (7)

1. 繊維強化樹脂中間材を成形下型の上に配置し、該繊維強化樹脂中間材の上に、成形上型をその外縁が該繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置するように積載し、これらの上に通気性のないシートを被せ、該シートの該繊維強化樹脂中間材側を減圧した状態下にて、該繊維強化樹脂中間材を加熱硬化する、繊維強化樹脂成形体の製造方法。
2. 前記成形上型の全ての外縁が、前記繊維強化樹脂中間材の外縁より内側に位置する、請求項１記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
3. 前記繊維強化樹脂中間材の外縁の任意の点から前記成形上型の外縁までの最短距離が５〜２０ｍｍの範囲である、請求項２記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
4. 前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型のそれぞれの重心を結ぶ直線と、該繊維強化樹脂中間材と該成形上型の積載方向とが略平行の関係となっている、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
5. 前記成形上型の厚みが０．５〜１０ｍｍの範囲である、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
6. 前記成形上型の材質が金属である、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
7. 前記繊維強化樹脂中間材と前記成形上型の間に離形フィルムを配置する、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。