JP6407057B2 - 熱可塑性樹脂成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
風車翼100の外皮層101は繊維基材に液状の熱硬化性樹脂を流し込んで加熱硬化することで製造されている。
しかも、風車翼に限らず、航空機や船舶等のボディや建物の床材等の大型の繊維樹脂複合成形体はいずれもドライファブリック(ガラス繊維織物)を金型内に配置した状態で、熱硬化型樹脂を真空引きしながら流し込んで含浸させた後、加熱硬化させることで製造している。
また、前記熱可塑性樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂を含むようにしてもよい。
また、前記強化繊維樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂を含むようにしてもよい。
また、前記強化繊維樹脂シートは、炭素繊維を含むようにしてもよい。
また、前記強化繊維樹脂シートは、繊維織物を含む樹脂シートを含むようにしてもよい。
また、前記強化繊維樹脂シートは、1方向性連続炭素繊維からなる樹脂シートを含むようにしてもよい。
また、前記強化繊維樹脂シートは、繊維織物を含む樹脂シート及び1方向性連続炭素繊維からなる樹脂シートを含むようにしてもよい。
また、前記スキンーリブ構造のリブ部は等間隔で配置されていてもよい。
これらの発明によれば、複数の熱可塑性樹脂シートと強化繊維樹脂シートを載置して構成した積層体を加熱して相互に溶融して一体化させた段階で、所望の凹凸形状(傾斜形状、曲面形状等を含む)を型面に備えた金型で積層体を圧縮することにより、溶融した熱可塑性樹脂を流動させ、型面の形状に応じてこの流動した熱可塑性樹脂によって一部を他の領域より肉厚にすることが可能になる。すなわち、このように熱可塑性樹脂を用い、加熱して溶融した熱可塑性樹脂を金型で押圧して流動させることで、所望の凹凸形状を備えた成形体を容易に製造することが可能になる。
なお、一部に他の領域より肉厚の肉厚部がある構造体(成形体)としては、例えばスキン−リブ構造体などが挙げられる。
しかも、熱可塑性樹脂成形体を廃棄する際には粉砕して押出成形等が可能であるため他の樹脂製品にリサイクルすることができる。
図1は本発明の第一実施形態による熱可塑性樹脂成形体である風車翼1の縦断面図である。図1に示す風車翼1では熱可塑性樹脂からなる外皮層2が例えば流線形状に形成されている。外皮層2を構成する三層は厚みの大きい熱可塑性樹脂層3と、その外面側と内面側とに積層された薄層の強化繊維外層4及び強化繊維内層5とが積層されて一体に形成されている。強化繊維外層4と強化繊維内層5とは、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた薄層で構成されている。
図2に示す繊維複合体において、平面上に強化繊維外層4を形成する強化繊維樹脂シート12が複数積層して配列されており、単一の強化繊維樹脂シート12の幅は金型7の内面7aの例えば1/3の長さに対応している。強化繊維樹脂シート12は例えば織物状の炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグである。
強化繊維樹脂シート12の上には熱可塑性樹脂層3を形成する熱可塑性樹脂シート11が必要な枚数だけ積層して載置されている。更に、熱可塑性樹脂シート11の上には強化繊維内層5を形成する強化繊維樹脂シート12が必要な枚数だけ積層して載置されている。これらは積層体Sを構成する。
そして、図3(b)に示すように、金型7の内面7a上には熱可塑性樹脂シート11とその上下の強化繊維樹脂シート12からなる積層体Sが内面7aの形状に沿って湾曲した形状に載置されている。
熱可塑性樹脂シート11は厚み0.1mm〜5.0mmの範囲とされている。熱可塑性樹脂シート11の厚みが0.1mm未満では熱可塑性樹脂層3の所要の厚みを得るのに多大な枚数が必要になり積層工程が長くなる欠点があり、5.0mmを超えるとシートに柔軟性がなくなり金型7の内面7aに沿った風車翼1の曲面形状を形成することが困難になる。なお、熱可塑性樹脂シート11の幅は任意であり、所定のシート幅(例えば10m)のものを順次配列及び積層することになる。
なお、複数積層する熱可塑性樹脂シート11は異なる種類のものを混ぜて積層してもよい。例えば外面側には耐候性や難燃性に優れた塩化ビニル樹脂やポリエチレン等のポリカーボネイト樹脂等のシートを用いるとよい。
さらには、落雷対策のため、最表面にアルミニウム等の金属シートをアクリル樹脂、SEBS樹脂、EVA樹脂等のいわゆる接着性樹脂シートとともに積層してもよい。
また、強化繊維は強度面から連続繊維であることが好ましく、強化繊維の配向は1方向にそろえてもよいし、互いに直交する縦横方向にそろえてもよい。或いは強化繊維を縦横方向に直交させて配列すると共に45°方向の配列も加える等することで疑似等方性に配列してもよい。強化繊維の配列は使用目的に応じて選定可能であるが、一般的には予め強化繊維を織物のように互いに交差させて配列したものを用いるとよい。
また、熱可塑性樹脂シート11としてナイロンやポリエステル等の高融点の樹脂を用いる場合には、層間接合が低温で達成できるように上述した接着性の熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。
なお、強化繊維樹脂シート12における強化繊維の含有率は、強化繊維樹脂シート12全体に対して20〜60体積%の範囲とする。含有率が20体積%未満では補強効果が小さく、60体積%を超えて含有させるのは一般に困難であり、ボイド等が発生してかえって強度低下を招く恐れがある。
また、強化繊維樹脂シート12の厚みは特に制限はないが、厚すぎると金型7の内面7aに沿って積層させることが困難であるため、0.05mm〜1.00mmの範囲が好適である。強化繊維樹脂シート12の幅は通常300mm〜1000mmで製造される。
しかしながら、本実施形態における風車翼1の外皮層2は、熱可塑性樹脂層3として多数の熱可塑性樹脂シート11を積層させ、その表裏面側に強化繊維外層4と強化繊維内層5として強化繊維樹脂シート12をそれぞれ集中的に積層して構成すると風車翼1の剛性と強度を発揮しやすいので好ましい。
本実施形態における熱可塑性樹脂シート11は例えば幅10m程度であり、強化繊維樹脂シート12は通常幅1m以下であるため、金型7の内面7aに積層する際、強化繊維樹脂シート12間に隙間を生じ易い。そのため、平面上において、予め複数の強化繊維樹脂シート12を金型7の内面7aの寸法に合わせて隙間なく並べ、その上に広幅の熱可塑性樹脂シート11を載置して融着させておく。
そして、平面上で、複数の強化繊維樹脂シート12の上に熱可塑性樹脂シート11を必要な枚数だけ積層し、更にその上に複数の強化繊維樹脂シート12を積層して積層体Sを構成する。しかも積層された各所要枚数のシート11、12が相互にずれないようにレーザー光等で部分的に溶着させておくことが好ましい。
また、図3(b)に示す積層体Sの熱可塑性樹脂シート11や強化繊維樹脂シート12の各間や底部に残存する空気を排除するために積層体Sの端面や底面から吸引パイプ9等で真空引きしてもよい。更に、積層体Sの上側からロールで押圧することでシート11,12間の空気を抜くようにしてもよい。こうして、積層体Sをなす各複数枚の熱可塑性樹脂シート11や強化繊維樹脂シート12は図4に示すように互いに密着された状態で積層される。
また、積層体Sの加熱に際し、金型7の内面7a側だけでなく積層体Sの上側にシート状のヒータを配設して上側からも加熱することが加熱溶融を促進する上で好ましい。なお、積層体Sを加熱しながら端面から吸引パイプ9でシート間の空気を抜くようにしてもよい。
強化繊維外層4と熱可塑性樹脂層3と強化繊維内層5との間の各シート11、12の接合を確実にするには、積層体Sの加熱時間は20分から60分が必要である。20分以下では積層体Sの中央部に加熱不足による未接合部分が生じ易い。一方、60分を超えて加熱すると、酸化によって熱可塑性樹脂が劣化するおそれがある。
積層体Sの層間接合の完了後、金型の温度調整パイプ8内に冷却水を通す等して金型7を冷却して積層体Sを冷却する。冷却に際して、金型7の上部からも送風等によって冷却することが好ましい。採用する熱可塑性樹脂の種類にもよるが、例えば高密度ポリエチレンを用いた場合には、積層体Sの温度が70℃程度にまで下がれば金型7から取り外すことができる。なお、ポリオレフィン樹脂を用いた場合には金型7への密着性が低いため、取り外しはクレーン等を用いて容易に行うことができる。
そのため、図6に示すように、これら背側ハーフ体1aと腹側ハーフ体1bとの端面2a、2b同士を、接合用の例えば鉄製金網14を介して突き合わせて外部からのマイクロ波や電流等によって加熱接合し、端面2a、2bの熱可塑性樹脂を再溶融させて接合して一体化させる。こうして熱可塑性樹脂と炭素繊維を用いて、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)製の風車翼1を製造することができる。
また、熱可塑性樹脂成形体の風車翼1を廃棄する際には粉砕して押出成形が可能であるため他の樹脂製品にリサイクルすることができ、この点はリサイクルが困難な従来の熱硬化性樹脂成形体と比較して資源の無駄を省いて経済的に再利用できる。
図7において、平面上に強化繊維樹脂シート12が複数積層して配列されており、強化繊維樹脂シート12の上には熱可塑性樹脂シート11が必要な枚数だけ積層して載置されている。更に、熱可塑性樹脂シート11の上には強化繊維樹脂シート12が必要な枚数だけ積層して載置されている。しかも、強化繊維内層5を形成する強化繊維樹脂シート12は、風車翼1のハーフ体1aの強度が比較的小さい中央部分で強化繊維外層4を形成する強化繊維樹脂シート12よりも積層枚数が多く設定されている。
この状態で、金型7内の温度調整パイプ8に高温の蒸気を循環させて金型温度を上昇させて積層体Sの下面から加熱を行う。また、積層体Sの端面や底面には吸引パイプ9の開口を配設して真空吸引を行うことで各シート11、12間の空気を抜いて加熱効率を上げる。その際、積層された熱可塑性樹脂シート11及び強化繊維樹脂シート12の端面から空気を吸引パイプ9で吸引できるように積層体Sの上面にシート16を被せて内部を真空に近い状態に保持できるようにしている。
そして、加熱によってシート11,12間の接合が十分に行われてそれぞれ一体化され、しかも熱可塑性樹脂層3とその上下の強化繊維外層4及び内層5が互いに接合される。
また、第二実施形態において、強化繊維内層5の中央部の厚みを両端部より大きくする構成に代えて、熱可塑性樹脂層3を形成する熱可塑性樹脂シート11の中央部の厚みを両端部より大きく設定してもよい。
実施例では、第一実施形態に示すように、風車翼1の背側ハーフ体1aと腹側ハーフ体1bについて、炭素繊維に熱可塑性樹脂として高密度ポリエチレン樹脂を含浸させた強化繊維樹脂シート12からなる強化繊維外層4と強化繊維内層5の間に、高密度ポリエチレン樹脂からなる熱可塑性樹脂層3を溶融させて一体化させた炭素繊維複合体(CFRP)の風車翼1を製造した。
一方、従来例では、風車翼全体に、ガラス繊維に熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を含浸させてガラス繊維複合体(GFRP)の風車翼を製造した。
更に実施例と従来例の製造方法において、使用後の金型7の冷却時間は、実施例では80℃程度でよいため20分であった。なお、さらに続けて成形を行う場合、熱可塑性樹脂を用いている実施例では、80℃程度の金型に直接シートを積層しても問題はない。一方、従来例ではエポキシ樹脂が熱硬化性樹脂であるため、次の成形時にエポキシ樹脂の粘度が上昇しないように、各成形毎に金型を常温まで冷却したため冷却時間は60分かかった。
そしてトータルの製造時間は実施例で100分、従来例で300分となり、従来例の1/3の時間で製造できた。そのため、炭素繊維はガラス繊維と比較して高価であるが、製造工程の時間が短いので同程度のコストで製造できた。
また、本発明による熱可塑性樹脂成形体は必ずしも強化繊維樹脂シート12の強化繊維外層4及び強化繊維内層5を用いなくてもよく、熱可塑性樹脂シート11を複数積層して溶融させて一体化した熱可塑性樹脂層3だけで構成してもよい。
なお、風車翼1における強化繊維外層4と強化繊維内層5は強化繊維樹脂層に含まれる。
また、本発明は、風車翼を実施形態として、断面略円弧状の金型を用いて説明を行ったが、これに代えて断面が略円状の金型を用いて、積層する熱可塑性シートを環状に積層しても構わない。この場合の製造される大型熱可塑樹脂成形体は、大型パイプ、例えば天然ガス等のパイプライン等に適用可能である。
特に風車のように巨大な構造物を圧縮成形する際には、低い圧力で成形できる本発明の製造方法は極めて有益である。
本実施例では、熱可塑性樹脂シートとして次のように製造したポリプロピレン樹脂シートを用いた。
ポリプロピレン樹脂(EA9:日本ポリプロピレン株式会社製品)を単軸押し出し機にて溶融混練した後、幅400mmのT型ダイを通して押し出した。その後、一対の冷却ロールで冷却と引取りを行い、厚み0.3mm、幅350mmで成形した。
含浸用の熱可塑性樹脂シートとしては次のように製造したポリプロピレン樹脂シートを用いた。
ポリプロピレン樹脂(MA04A:日本ポリプロピレン株式会社製品)を単軸押し出し機にて溶融混練した後、幅400mmのT型ダイを通して押し出した。その後、一対の冷却ロールで冷却と引取りを行い、厚み0.15mm、幅350mmで成形した。
次に、積層体の一面側に配設する強化繊維樹脂シートとしてTEPEX(104RG601:ボンドラミネート社製品)を用いた。この強化繊維樹脂シートはガラス繊維の平織物にポリプロピレン樹脂を含浸したもので、厚みが0.55mmである。
次に、積層体の他面側に配設する強化繊維樹脂シートとしては次のように製造した炭素繊維樹脂シートを用いた。
炭素繊維トウ(TC35、24K:台湾プラスチック製品)を上記した含浸用熱可塑性樹脂シートの上に、繊維方向を一方向に方向を揃えてトウ中心間の距離が14mmとなるように整列させた。その後、200℃に加熱された350mm角の加熱プレス(東洋精機株式会社製品)を用いて、溶融した熱可塑性樹脂を炭素繊維トウに含浸させた。このとき、圧力を1MPa、加圧時間を1分間として熱可塑性樹脂を炭素繊維トウに含浸させた。その後、材料を冷却することにより、300mm角、厚さ0.2mmの炭素繊維樹脂シートを得た。
そして、上記した材料を、幅100mm、長さ200mmのサイズに切断した後、炭素繊維樹脂シートを6枚、熱可塑性樹脂シートを20枚、ガラス繊維樹脂シートを5枚の順に積層し、積層体を形成した。
また、積層体の上に厚み10mmの鉄板を載せ、全体に多少の圧力をかけた状態で積層体を熱風オーブン中で加熱した。このとき、オーブン温度を200℃、加熱時間を30分間とした。これにより、積層体はポリプロピレンの溶融温度である170℃以上の温度の加熱され、層間が融着して一体化することが確認された。
次に、加熱溶融して一体化した積層体を金型内に入れ、上下一対の金型で型締めした。一方の金型(下方の金型)は型面が平面状で形成されているのに対し、他方の金型は型面が所定の幅寸法で形成され、規則的に交互に並設された複数の凸部と凹部を備えて形成されている。
また、本実施例では、ガラス繊維樹脂シートが一方の金型の平面上の型面側に配されるようにして積層体を金型内に入れた。
この金型を350mm角の加熱プレス(東洋精機株式会社製品)で圧縮した。この圧縮工程では、金型を非加熱とし、一対の金型に出力200kgfの荷重を印加した。これにより、金型内の積層体にかかる圧力はおよそ1kg/cm2と計算された。
10分間この加圧状態を保持して積層体を加圧しながら冷却し、その後、金型から部分的に厚みの異なるように成形された熱可塑性樹脂成形体を取り出す。
このように製造した成形体はいわゆるスキンーリブ構造を有しており、スキン部の厚みはおよそ4mm、リブ部の高さは15mmであった。
1a 背側ハーフ体
1b 腹側ハーフ体
3 熱可塑性樹脂層
4 強化繊維外層
5 強化繊維内層
7 金型
8 温度調整パイプ
9 吸引パイプ
11 熱可塑性樹脂シート
12 強化繊維樹脂シート
17 一方の金型
17a 型面(内面)
17c 凸部
17c 凹部
18 他方の金型
18a 型面(内面)
20 熱可塑性樹脂成形体
S 積層体
Claims (8)
- 複数の熱可塑性樹脂シートと複数の強化繊維樹脂シートを載置して積層体を構成する工程と、
積層体を加熱して複数の熱可塑性樹脂シートと複数の強化繊維樹脂シートを相互に溶融して一体化させる工程と、
少なくとも一方の金型が凹凸形状を備える一対の金型で積層体を圧縮することで、溶融した熱可塑性樹脂を流動させ、成形体の一部を他の領域より肉厚に形成する工程と、
冷却後に一体化したスキンーリブ構造の成形体を金型から取り出す工程と、を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂成形体の製造方法。 - 前記熱可塑性樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記強化繊維樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記強化繊維樹脂シートは、炭素繊維を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記強化繊維樹脂シートは、繊維織物を含む樹脂シートを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記強化繊維樹脂シートは、1方向性連続炭素繊維からなる樹脂シートを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記強化繊維樹脂シートは、繊維織物を含む樹脂シート及び1方向性連続炭素繊維からなる樹脂シートを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
- 前記スキンーリブ構造のリブ部は等間隔で配置されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
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