JPH0687185A - 積層成形品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】衝撃吸収能力の高い積層体構造物を製造する。 【構成】熱可塑性樹脂に２０％以上の強化繊維を含浸さ
せた厚み０．１乃至１ｍｍの樹脂板を積層成形そて得ら
れる成形体であって、該成形体を構成する積層面に外力
によりずれ変形を生じる箇所を設けたことを特徴とする
積層成形体。 【効果】積層成形体は、軽量で簡単で、且つ衝撃吸収力
が大きく緩衝体として有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、衝突、落下等による衝
撃エネルギーを吸収し、緩衝効果を発揮する積層成形品
およびその製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や走行機器の衝突に於いて、緩衝
効果を発揮する緩衝体がその衝突エネルギーを吸収し、
機器本体又は運転者を保護する役目を果たしている。従
来より用いられている緩衝体は、樹脂発泡体を構造体表
面に貼り合わせたものや、コイルバネ、ベローズの如き
形状に折り曲げ加工した金属製筒状体や板状体、また
は、空気圧や油圧を利用したシリンダー状緩衝機等であ
る。緩衝体自体に機器固定力、例えば、ハンドルと軸間
を固定し保持させる場合には金属製緩衝体やシリンダー
状緩衝機やコイルバネ等が用いられる。金属製緩衝体の
場合はエネルギーを吸収する折り曲げ部分の形状に特徴
を付与する必要があり、またその折り曲げ部分の構造お
よび成形も複雑でかつ困難であった。一方シリンダー状
緩衝機は重量が重い欠点を有しており、コイルバネは衝
撃エネルギーを蓄積し衝突後そのエネルギーを開放し衝
突物を壊す欠点を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、熱可塑製樹脂に
20容量％以上の強化繊維を含浸させた厚み 0.1〜１mmの
樹脂板を積層成形して得られる成形体を緩衝体として用
いる試みがなされている。この場合、成形体は金属類に
比較して、軽量であり、軽量緩衝体として各種の用途に
利用されている。しかしながら、成形体は金属に比べて
弾性率が低く、わずかな変形により成形体が破壊に至
り、成形体が吸収する衝突エネルギーが少ないという問
題があった。従って、積層成形品の限界歪み量以上の衝
撃力が加えられた場合は積層成形品は破断して衝撃力を
完全に緩衝することは出来ない。従来の積層成形品の弾
性的変形量は少ないので、大きな衝撃力を緩衝すること
は困難であり、従って幅広い衝撃力に対応させることが
出来ないという問題があった。そこで本発明は、軽量で
構造が簡単で、且つ衝撃吸収力の大きな積層成形品を提
供することを技術課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、従来の繊維強化
樹脂板積層成形品は、積層間に気泡、剥離、蒸着不良等
の欠陥が存在すると、荷重を受けて変形した場合、欠陥
部分から剥離や亀裂が進展し積層間破壊及び強化繊維の
部分破断が発生し、耐荷重は増えずに変位が増大するこ
とを認識した。従来技術においては、積層間の欠陥が存
在しない様に成形することが、第１の技術課題であった
が、本発明者らは、この様な荷重−変位特性は弾性エネ
ルギーを大きく蓄積している点において衝撃力を緩衝す
る上では好ましい破壊挙動であることに着目し、複合材
積層体の層間強度を積極的に制御することにより、緩衝
エネルギーの吸収量が調節できることを見出して本発明
に至ったものである。すなわち本発明は、熱可塑性樹脂
に20容量％以上の強化繊維を含浸させた厚み０．１〜1m
m の樹脂板を積層成形して得られる成形体であって、該
成形体を構成する積層面に外力によりずれ変形を生じる
箇所を設けたことを特徴とする積層成形体を提供するも
のである。

【０００５】上記した本発明において、外力によりずれ
変形を生じる積層面の層間接着力がずれ変形を生じない
積層面の層間接着力を 100とした場合、80以下になるよ
うに設計されることが好ましい。上記の設計を具体化す
る１つの手段は、外力によりずれ変形を生じる積層面に
非接着部を設けることである。上記の手段の好ましい態
様は、積層成形体の衝撃を受ける部位の積層面面積を 1
00とした場合、衝撃を受ける部位の非接着部の積層面面
積を5 〜６０% の範囲とすることであり、この場合にお
いて、非接着部が複数層において成形される場合は、各
層の接着部面積の総和である。積層成形体より好ましい
態様においては、上記の積層部分は、半径５mm以上、好
ましくは20mm以下の曲等を有する積層角で成形される。
上記した本発明によれば、プリプレグを積層した複合材
を用い、積層間の層間強度を制御することにより、変形
量が大きく、比較的低い力で破壊が開始し、破壊におけ
るエネルギー吸収の大きい緩衝体が得られるという効果
を発揮する。

【０００６】本発明の樹脂板とは、前記強化繊維に前記
樹脂を浸み込ませたものであり、厚みは通常 0.1〜１mm
の範囲のものである。樹脂板を積層して成形品にした場
合、成形品の厚みは通常３〜10mm程度、より一般的には
３〜５mm程度である。積層間の層間強度の制御法として
は、積層間の一部に加えられた外力により擦れやすい構
造および形状を導入することがあげられる。これは、外
力が加わると特に大きく変形が起きる部分を積極的に作
ることにより、より効率的に達成される。１つの積層間
強度の制御方法としては、積層間の一部に剥離を容易に
起こし得る部分を設けることがあげられる。容易に剥離
を起こし得る部分とは、積層間の樹脂が接触を妨げら
れ、接着強度が著しく低下する部分を意味し、具体的に
は使用された樹脂と接着性の乏しい樹脂フィルムを配置
したり、樹脂と接着性に乏しいワニス、グリース、離型
剤を塗布したり、プリブレグの成形温度で発泡剤を層間
の一部に配置したり、樹脂が含浸されていない織布を層
間に配置することによって得られる。

【０００７】非接合部の積層は使用する強化繊維を含む
樹脂板の強度と吸収するべき衝撃力の関係により決定さ
れるが、通常は衝撃力を受ける面の面積を60％以下が望
ましく、更に好ましくは５〜60％の範囲である。衝撃力
を受ける面の面積に対する非接合部の面積が５〜60％の
範囲を外れる場合は、成形品の衝撃力緩衝効果が充分に
得られない。また、好ましい剥離層の層数は目的により
適宜選択されるが成形品厚み３mm当り通常２〜５層の範
囲である。複数の剥離層を設ける場合は、近接した剥離
層に設けることが好ましい。また、同一剥離層内におけ
る剥離部と非剥離部との関係位置は、図２および図６に
示すような適宜の位置に定めることができ、剥離部を複
数層に設ける場合もほぼ同様である。

【０００８】また、他の好ましい方法としては、ガラス
繊維織物を層間に配置し、接着強度を低下させることも
出来る。この場合のガラス繊維織物の面積も使用する強
化繊維を含む樹脂板の強度と吸収するべき衝撃力の関係
により決定されるが、通常は衝撃力を受ける面の面積の
60％以下が望ましく、概ね上記の場合と同様に設計する
ことができる。しかしながら、織物にこだわる必要はな
く、繊維の方向性を利用して適宜配置することもでき
る。

【０００９】積層間剥離強度の更に好ましい制御方法と
しては、上記の制御方法の採用に加えて荷重が加わった
時に、優先的に層間ずれが起こる積層角で積層した部分
を設けることである。この方法による場合の変形は、積
層面内でなく、積層方向と垂直方向に発生するので、積
層成形品の表面と裏面で曲率の差が積層面内でのずれ発
生の引き金部分、例えば壁の部分、具体的には例えば図
１のＷの面、図７の１０の部分に荷重方向に対して平衡
な面を形成しない波板状或いはジグザク状の折り返し構
造を部分的付与することにより達成される。このとき、
折り返し部分の角が鋭利な角度であるとその部分に荷重
が集中して加わり、積層間のずれの発生に先駆けて折り
返し部分の角が折れる。状況に応じて角部分には半径５
mm以上、好ましくは20mm以下の曲率を有する積層角で成
形することが好ましい。

【００１０】積層板の成形方法は、樹脂板を所定の形状
に裁断して重ね合わせた後、通常採用されるオートクレ
ーブによる成形方法や、加熱プレスによる成形方法等が
採用される。本発明の積層成形体は、かかる構成をとる
ことにより、成形体に外力が加わると、積層部の一部の
層間接着力が、他の積層部に比較して層間接着力が弱い
ため、この箇所を中心に破壊がはじまる。この破壊はま
ず積層間のずれが生じ、外力を吸収しながら破壊に至
る。この場合の成形体の衝撃吸収力は、元の成形体に比
べて大きく、さらに破壊時の弾性率が低くなっている
為、衝撃時のショックが小さくなり、人体を衝撃時のシ
ョックから保護する効果は大きい。

【００１１】本発明において、強化繊維とは、ガラス繊
維、炭素繊維、ボロン繊維、チタン繊維、アルミナ繊
維、ナイロン繊維、テトロン繊維、ポリエチレン繊維、
アラミド繊維、ジュートの如き天然繊維、ステンレス繊
維の如き金属繊維等強度向上に効果を発揮し得る繊維状
物を意味し、繊維状物であれば特に材質は限定しない。
強化繊維の形態は、連続繊維状のロービングヤーン、ト
ウという名称で知られているものを一方向と配列したも
のや、織布、チョップトストランドマット及び、これら
の組み合わせであってもよい。これらの強化繊維は通常
３〜50μｍのフィラメントを 200〜12000 本収束したも
のを１単位として用い、繊維の含有量は積層品の強度を
決定する因子であり実用的に使用可能な量は20容量％以
上であり、30容量％以上であることが好ましい。強化繊
維の含有量は、適用される用途の必要強度と緩衝効果に
依存するが、一般に構造体として用いる点から20〜70容
量％の範囲がよく、好ましくは40〜60容量％が好適であ
る。また、強化繊維の表面に樹脂と密着性を向上させる
為に表面処理剤、例えばシランカップリング剤単体やシ
ランカップリング剤を含んだ集束剤等で処理されている
ことが好ましい。

【００１２】ガラス繊維の場合のカップリング剤は、組
み合わせる樹脂に応じて最適なものを選ぶ必要があり以
下その具体例を例挙する。ナイロン樹脂であれば、γ−
アミノプロピル−トリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミ
ノエチル）−γ−アミノプロピル−トリメトキシトラン
等を使用する。ポリカーボネート樹脂であれば、γ−ア
ミノプロピル−トリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノ
エチル）−γ−アミノプロピル−トリメトキシシラン等
を使用する。ポリエチレンテレフタレートまたはポリブ
チレンテレフタレートであれば、β−（３，４−エポキ
シシクロヘキシル）エチル−トリメトキシシラン、γ−
グリシドキシ−プロピルトリメトキシシラン、γ−アミ
ノプロピル−トリメトキシシラン等を使用する。ポリエ
チレンまたはポリプロピレンであれば、ビニルトリメト
キシシラン、ビニル−トリス−（２−メトキシエトキ
シ）シラン、γ−メタクリロキシ−プロピルトリメトキ
シシラン、γ−アミノプロピル−トリメトキシシラン等
を使用する。ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレン
スルフィド、ポリスルフォン、ポリエーテルサルフォ
ン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケト
ン、ポリイミド、ポリアリレート、フッ素樹脂であれ
ば、上述したカップリング剤も当然使用出来るが、その
外に、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピル
メチルジメトキシシラン、γ−クロロプロピルメチルジ
メトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシ
シラン、ｐ−アミノフェニルトリエトキシシラン等が使
用できる。

【００１３】ガラス繊維以外の場合は、物性を第一に考
える時は、集束剤やカップリング剤を使用しない場合も
あるが、作業性が悪くなるのでアミン硬化型のエポキシ
樹脂をカップリング剤として処理する場合が多く、その
具体例としてはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、エポ
キシノボラック樹脂、脂環式エポキシ樹脂、脂肪族エポ
キシ樹脂、グリシジルエステル型樹脂を使用することが
出来る。カップリング剤を繊維表面に施す方法は以下の
通りである。即ち、集束剤を除去した繊維に、カップリ
ング剤を 0.1〜３重量％溶解した液を、浸漬、噴霧塗布
等の手段により完全に含浸させる。このカップリング剤
溶液を含んだ繊維を60〜120 ℃で乾燥し、カップリング
剤を繊維表面に反応させる。乾燥時間は溶媒が揮散して
しまう時間で充分で15〜20分位である。カップリング剤
を溶解する溶媒は、使用する表面処理剤に応じて、ｐＨ
2.0〜12.0位に調整した水を用いる場合と、エタノー
ル、トルエン、アセトン、キシレン等の有機溶剤を単独
で、或いは混合して使用する場合とがある。含浸用樹脂
は前記表面処理剤との親和性を高める様な改質剤、例え
ば無水マレイン酸をグラフトしたポリプロピレンを添加
することは有意義である。

【００１４】本発明の樹脂は、熱可塑性樹脂、熱硬化性
樹脂のいずれでも使用でき、熱可塑性樹脂では、ポリス
チレン、スチレン−アクリロニトリル樹脂、ＡＢＳ樹
脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネー
ト、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフ
タレート、ナイロン系樹脂、ポリフェニレンエーテル、
ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポ
リサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリイミド、
ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン等が代表的
であり、熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹
脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂等が代表的である。上記のものは樹
脂同志又は他の樹脂、例えばゴム系エラストマー樹脂と
を複数組み合わせたものも適用し得る。さらに樹脂に例
えば、ウイスカー、タルク、マイカ、ガラス短繊維、炭
素短繊維、グラファイト等の無機充填材を添加し、樹脂
の弾性率を調節したものも使用できる。

【００１５】

【実施例】次に本発明の詳細を代表的実施例により説明
する。 実施例１ γ−アミノプロピル−トリメトキシシランを塗布した直
径13μｍのガラスフィラメント1800本を一束にしたガラ
ス繊維を80本を一方向に配列したシートにポリプロピレ
ン樹脂を含浸させ、ガラス繊維含有量50容量％に調節し
た 0.2mmのプリプレグシート１を製造した。こりプリプ
レグシート１を用いて、プリプレグの繊維の方向を０°
とした時に、上から順に０°／90°／０°／90°／０°
／０°／０°／90°／０°になる様に図２に示す寸法で
10層重ね合わせ、上側から第３層目、第５層目、第７層
目に第２図Ａ、Ｂ、Ｃに示す位置に巾10mm、長さ30mmの
ナイロンフィルム（厚さ50μｍ）をそれぞれ配置して、
非接合部を作り、 200℃に加熱した金型に積層体を投入
し10kg／cm² の圧力で10分間加圧した後、圧力を保った
まま、10℃／分の冷却速度で50℃迄冷却後脱型し、図１
に示す成形品を得た。この時の非接合部の面積は、第１
図に示した衝撃を吸収する縦壁部分Ｗの面積の18％であ
った。この成形物のフランジ部を図８に示したように、
長さ 150mm巾150mm 厚さ20mmの鉄板にボルトで固定し、
成形品中央部に長さ 100mm巾 100mm厚さ20mmの鉄板を乗
せ、インストロン社製材料試験機1125型を使用して上面
に圧縮荷重を加え荷重−変位挙動を測定した。試験の結
果は第３図の荷重−変位曲線に示す如く、変形量の増大
にかかわらず、破壊応力が一定な常態が保たれ、エネル
ギー吸収が大きい事が説明された。図３の縦座様のベー
スライン（通常Ｘ軸と定義されている）と荷重−変位曲
線で囲まれる部分の面積を求めたものを歪みエネルギー
と定義されているが、歪みエネルギーが大きいほど衝撃
力に対する緩衝力は大きいと判断できる。この場合の歪
みエネルギーは６１Ｊ（ジュール）であった。表１に破
壊力、破壊時の変形利用、歪みエネルギーをまとめて示
す。

【００１６】比較例１ 実施例１で用いた成形品に於いて、非接合部のない成形
品を作成し、実施例１と同一の評価を行った。第４図に
示す如く破壊開始力が高く、歪みエネルギーは２０Ｊと
小さいもので、緩衝体に用い得るものではなかった。表
１に破壊力、破壊時の変形量、歪みエネルギーをまとめ
て示す。 比較例２ 実施例１と同様な方法で第１図に示した成形品を成形し
た。但し、非接合部の大きさは巾40mm、長さ26mmとし
た。この時の非接合部の面積は衝撃を吸収する第１図に
示した縦壁部分Ｗの面積の62.4％であった。この成形品
を実施例１と同様な評価を行ったが、第５図に示すよう
破壊開始力が低く、歪みエネルギーは３Ｊと小さいもの
で緩衝体に用いられるものではなかった。表１に破壊
力、破壊時の変形量、歪みエネルギーをまとめて示す。

【００１７】実施例２ 実施例１と同様にしてプリプレグシート１を積層し、図
２に示したＡ、Ｂ、Ｃの部分に、ナイロンフィルムのか
わりにシリコーングリース（信越シリコーン社製ＫＦ−
５４）を20μｍの厚さに塗布した。実施例１と同様な方
法で成形し、荷重試験を行った。歪みエネルギーが大き
く緩衝体に用いられる能力を持った成形体が得られた。
費用１に破壊力、破壊時の変形量、歪みエネルギーをま
とめて示す。

【００１８】実施例３ 実施例１と同様に積層し成形品を得た。但し、Ａ、Ｂ、
Ｃの部分はナイロンフィルムの代わりに一平方メートル
当り 102ｇのガラスクロスを使用した。実施例１と同様
な方法で成形し、荷重試験を行った。歪みエネルギーが
大きく緩衝体に用いられる能力を持った成形体が得られ
た。表１に破壊力、破壊時の変形量、歪みエネルギーを
まとめて示す。

【００１９】実施例４ 実施例１と同様に積層し成形品を得た。但し、Ａ、Ｂ、
Ｃの部分はナイロンフィルムの代わりに一平方メートル
当り30ｇのポリエステル製の不繊布を使用した。実施例
１と同様な方法で成形し、荷重試験を行った。歪みエネ
ルギーが大きく緩衝体に用いられる能力を持った成形体
が得られた。表１に破壊力、破壊時の変形量、歪みエネ
ルギーをまとめて示す。

【００２０】実施例５ 実施例１と同様に積層し成形品を得た。但し、Ａ、Ｂ、
Ｃの部分はナイロンフィルムの代わりに発泡剤である
α，α’−アゾビスイソブチルニトリルを厚さ10μｍに
なる様に散布した。

【００２１】実施例１と同様な方法で成形し、荷重試験
を行った。歪みエネルギーが大きく緩衝体に用いられる
能力を持った成形体が得られた。表１に破壊力、破壊時
の変形量、歪みエネルギーをまとめて示す。

【００２２】実施例６ プリプレグシート１をプリプレグの各層の繊維の方向が
実施例１と同じになる様に図６に示す寸法で10層重合わ
せた積層体を準備した。但し、本実施例では非接合部Ｄ
の大きさは23mm縦10mmで、荷重を受ける縦壁部分の面積
の51％である。外力が加わった時に積層間がずれ易い形
状として図７の10に示す様に縦壁部分に波板状の形状を
持った成形体を、 200℃に加熱した全型に積層体を投入
し10mm／mmの圧力で10分間加圧した後、圧力を保ったま
ま、10℃／分の冷却速度で50℃迄冷却後脱型し、図７に
示す成形品を得た。この時得られた成形品の液板の折り
返し部分11の角の曲率半径は６mmであった。実施例１と
同様な方法で荷重試験を行った。歪みエネルギーが大き
く緩衝体に用いられる能力を持った成形体が得られた。
表１に破壊力、破壊時の変形量、歪みエネルギーをまと
めて示す。

【００２３】比較例３ 実施例６と同様にして成形品を得た。但し、成形品の波
板折り返し部分11の角のエネルギーは小さいもので緩衝
体に用いられるものではなかった。表１に破壊力、破壊
時の変形量、歪みエネルギーをまとめて示す。

【００２４】実施例７ プリプレグシート１を用いてプリプレグの繊維の方向を
０°とした時に、上から順に０°／90°／０°／90°／
０°／90°／０°／90°／０°／90°／90°／90°／90
°／０°／90°／０°90°／０°／90°／０°90°／０
°になる様に図６に示す寸法で22層重合わせた。但し本
例の場合非接合部は、上から11層目と12層目の間だけに
入れた。実施例１と同様な条件で成形を行い、図２に示
す成形品を得た。実施例１と同様な方法で荷重試験の結
果、上から11層目と12層目の間にだけ層間のずれが発生
していたが、他の層間ではずれが発生していなかった。
歪みエネルギーが大きく緩衝体に用いられる能力を持っ
た成形体が得られた。表１に破壊力、破壊時の変形量、
歪みエネルギーをまとめて示す。

【００２５】

【発明の効果】本発明による積層成形品は、軽量で構造
が簡単で、且つ衝撃吸収力が大きく緩衝体として有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の成形体を示す。

【図２】図１に示した成形体の展開図を示す。

【図３】成形体の圧縮破壊時の変形層と破壊力の関係を
示す。

【図４】成形体の圧縮破壊時の変形量と破壊力の関係を
示す。

【図５】成形体の圧縮破壊時間の変形量と破壊力の関係
を示す。

【図６】図７に示した成形体の展開図を示す。

【図７】本発明の他の実施態様の成形体を示す。

【図８】成形体の圧縮試験におけるフランジ部の固定方
法を示す図である。

フロントページの続き (72)発明者 坂井 英男 神奈川権横浜市栄区笠間町1190番地 三井 東圧化学株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱可塑性樹脂に20容量％以上の強化繊維
   を含浸させた厚み0.1〜１mmの樹脂板を積層成形して得
   られる成形体であって、該成形体を構成する積層面に外
   力によりずれ変形を生じる箇所を設けたことを特徴とす
   る積層成形体。
2. 【請求項２】 外力によりずれ変形を生じる積層面の層
   間接着力がずれ変形を生じない積層面の層間接着力を 1
   00とした場合、80以下になるように設計されている請求
   項１記載の積層成形体。
3. 【請求項３】 外力によりずれ変形を生じる積層面に非
   接着部を設けてなる請求項１記載の積層成形体。
4. 【請求項４】 積層成形体の緩衝を受ける部位の積層面
   面積を 100とした場合、衝撃を受ける部位の非接着部の
   積層面面積が５〜60％の範囲である請求項１記載の積層
   成形体。
5. 【請求項５】 非接着部が複数層において形成される場
   合は、各非接着部面積の総和である請求項１記載の積層
   成形体。
6. 【請求項６】 積層成形体の衝撃を受ける部位の積層面
   を、半径５〜20mmの範囲の曲率を有する積層角で成形し
   て得られる請求項１記載の積層成形体。
7. 【請求項７】 積層成形体中の強化繊維の量が20〜70容
   量％の範囲である請求項１記載の積層成形体。
8. 【請求項８】 強化繊維の表面にシランカップリング剤
   またはシランカップリング剤を含む集束剤で処理される
   請求項１記載の積層成形体。
9. 【請求項９】 熱可塑性樹脂がポリプロピレン樹脂であ
   る請求項１記載の積層成形体。