JP5062810B2 - 複合樹脂成形体及びその成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂材製の成形体本体の表面に繊維シート材をインサートしてなる複合樹脂成形体及びその成形方法に関する。

樹脂材製の成形体本体を繊維で補強した複合樹脂成形体は、自動車部品を含め種々の部材に適用されている。

例えば、特許文献１には、ペレットと実質的に同一長さでペレットの長さ方向にほぼ平行に配列したガラス繊維を含有するペレット状のポリプロピレンを主体とする熱可塑性樹脂組成物を用い、これを成形してなるバンパービームが開示されている。

特許文献２には、靴底、特にスポーツ靴のための靴底において、担持する靴底組成として合成樹脂のマトリックスとこの合成樹脂内に加工された繊維とからなり、かつ他の靴底体と溶接或いは化学的な結合により互いに結合されている少なくとも一つの繊維複合部が使用されているものが開示されている。

特許文献３には、非平面状に成形された織物、編物などの繊維材料からなる二次元補強コア材料と、そのコア材料の表面を覆う樹脂表皮層と、樹脂表皮層と一体に形成されかつ樹脂表皮層から突出した樹脂製構造部とを少なくとも有し、樹脂表皮層と構造部は射出成形法で一体成形された樹脂成形体が開示されている。
特許第３２４２３９９号公報 特開平５−１６８５０３号公報 特開２００２−２５４４６９号公報

ところで、補強材として繊維シート材を用いた場合においては、繊維シート材自体を検討することにより複合樹脂成形体が性能向上する余地が十分に残されている。

本発明の目的は、樹脂材製の成形体本体の表面に繊維シート材をインサートしてなる複合樹脂成形体において、引張強度及び曲げ剛性の向上を図ることである。

本発明は、繊維シート材として編物を用い、編物をその裏目側が成形体本体に対向するように設けると共に、繊維表面を成形体本体に溶融固化により一体化させたものである。

具体的には、請求項１に係る発明は、樹脂材製の成形体本体の表面に繊維シート材をインサートしてなる複合樹脂成形体であって、
上記繊維シート材は、編物で構成されていると共に、その裏目側が上記成形体本体に対向するように設けられ、且つ繊維表面が該成形体本体に溶融固化して一体化していることを特徴とする。

上記の構成によれば、編物の繊維シート材の裏目側が成形体本体に対向するように設けられており、また、繊維表面が成形体本体に溶融固化して一体化しているので、繊維シート材を構成する繊維の補強効果が適性に発揮されることとなり、それによって編物のウェール方向に高い引張強度を得ることができると共にウェール方向においての曲げ変形に対して高い曲げ剛性を得ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された複合樹脂成形体において、
上記繊維シート材を構成する繊維が上記成形体本体を構成する樹脂材と同種の樹脂材で形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、繊維シート材と成形体本体とが同種の樹脂材で形成されているので、それらの間の高い密着力が得られ、それによって繊維シート材による高い補強効果を得ることができる。また、単一材料系で形成されていることにより高いリサイクル性を有することにもなる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載された複合樹脂成形体において、
上記繊維シート材は、一方の面が表目のみを有し且つ他方の面が裏目のみを有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載された複合樹脂成形体の成形方法であって、
成形型のキャビティ内の所定位置に、編物の繊維シート材を、その表目側が成形面に対向するように配置した後、該繊維シート材の裏目側において、溶融した樹脂材から成形体本体を成形することを特徴とする。

上記の構成によれば、請求項１に係る発明の複合樹脂成形体を容易に成形することができる。

本発明によれば、繊維シート材を構成する繊維の補強効果が適性に発揮されることとなり、それによって編物のウェール方向に高い引張強度を得ることができると共にウェール方向においての曲げ変形に対して高い曲げ剛性を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び２は、本発明の実施形態に係る自動車用のバンパービーム１０（複合樹脂成形体）を示す。

このバンパービーム１０は、横方向に円弧状に延びるように形成された樹脂成形部材によりビーム本体１１（成形体本体）が構成されている。

ビーム本体１１は、横長矩形の前面部１１ａと、その周縁に連続して後方に延びるように形成された側面部１１ｂと、前面部１１ａ中央に後方に断面コの字状に没入するように形成された横長矩形の没入部１１ｃと、を有する。上側側面部１１ｂと前面部１１ａと没入部１１ｃの上側部とで構成された後方に開口したコの字溝、及び、下側側面部１１ｂと前面部１１ａと没入部１１ｃの下側部とで構成された後方に開口したコの字溝のそれぞれには、長さ方向に沿って間隔をおいて複数のリブ１１ｄが設けられている。そして、没入部１１ｃの後表面には、繊維シート材１２が貼設されるようにインサートされている。

ビーム本体１１を形成する樹脂材としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。これらは、単独種で用いられても、複数種がブレンドされて用いられてもいずれでもよい。また、樹脂材には、必要に応じて樹脂配合剤が配合されていてもよい。

繊維シート材１２は、表目及び裏目の区別のある編物で構成されており、例えば、平編などのよこ編の編物等が挙げられる。

編物の繊維シート材１２は、裏目側がビーム本体１１に対向し且つウェール方向が横方向となるように、ビーム本体１１の没入部１１ｃの後表面に設けられている。また、編物の繊維シート材１２は、繊維表面がビーム本体１１に溶融固化して一体化している。

このように編物の繊維シート材１２の裏目側がビーム本体１１に対向するように設けられており、また、繊維表面がビーム本体１１に溶融固化して一体化しているので、繊維シート材１２を構成する繊維の補強効果が適性に発揮されることとなり、それによって編物のウェール方向、つまり、バンパービーム１０の横方向に高い引張強度を得ることができると共に、ウェール方向においての曲げ変形、つまり、バンパービーム１０の前後方向の曲げ変形に対して高い曲げ剛性を得ることができる。

編物の繊維シート材１２を構成する繊維としては、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維などの合成繊維の他、カーボン繊維やガラス繊維や金属繊維の表面に熱可塑性樹脂コーティングが施されたもの等が挙げられる。

繊維シート材１２を構成する繊維は、ビーム本体１１を構成する樹脂材と同種の樹脂材で形成されていることが好ましい。繊維シート材１２とビーム本体１１とが同種の樹脂で形成されていれば、それらの間の高い密着力が得られ、それによって繊維シート材１２によるより高い補強効果を得ることができる。また、単一材料系で形成されていることにより高いリサイクル性を有することにもなる。

次に、このバンパービーム１０の射出成形による成形方法について図３に基づいて説明する。なお、図３は、成形方法を模式的に示すものであって、このバンパービーム１０の成形を正確に示すものではない。

まず、図３（ａ）に示すように、成形型２０を、射出成形機３０に取り付けられた第１成形型２１から第２成形型２２を離間させた状態とし、編物の繊維シート材１２を、第２成形型２２におけるバンパービーム１０の没入部１１ｃの後表面を成形する成形面に、表目側が該成形面に対向し且つウェール方向が横方向となるように当接させて配置する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、第１及び第２成形型２１，２２を型締めして成形型２０内にキャビティＣを形成する。

そして、図３（ｃ）に示すように、射出成形機３０から溶融した樹脂材を成形型２０のキャビティＣ内に射出充填した後に冷却する。このとき、繊維シート材１２の裏目側において、溶融した樹脂材からビーム本体１１が成形されると共に、繊維シート材１２を構成する繊維の表面がビーム本体１１に溶融固化して一体化する。

最後に、図３（ｄ）に示すように、成形型２０を型開きして成形されたバンパービーム１０を取り出す。

なお、以上の本実施形態では、複合樹脂成形体としてバンパービーム１０を例としたが、特にこれに限定されるものではなく、ドアサイドビーム、パワープラントフレーム、車体フレーム等の自動車部品、その他の構造部材であっても本発明の複合樹脂成形体で構成することができる。

また、本実施形態では、射出成形を例としたが、特にこれに限定されるものではなく、液圧成形などの加圧成形等によっても本発明の複合樹脂成形体を成形することは可能である。

以下の試験評価を行った。

（試験評価１）
＜試験評価用試験片＞
−実施例１−
射出成形機（（株）日本製鋼所 型番：Ｊ３５０ＥＤ）に引張試験の試験片成形用の成形型を取り付け、超高分子量ポリエチレン繊維（東洋紡（株）社製 商品名：ダイニーマ フィラメント本数１１７０本で１３２０ｄｔｅｘ）で形成された平編物を、その表目側が成形面に対向するように成形型に配置した。そして、成形型温度を５０℃及びシリンダ温度（樹脂材の温度）を２８０℃とした、溶融したポリエチレン樹脂（出光興産（株）社製 商品名：２１１Ｊ）を射出成形機から成形型内に射出充填し、長さ１５５．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍの板状の試験片を射出成形した。成形された試験片は、一方側の面に平編物の繊維シート材が、その裏目側が試験片本体に対向するように設けられてインサートされたものとなった。

試験片は、平編物のウェール方向が長さ方向となったもの（以下、「ウェール試験片」という。）とコース方向が長さ方向になったもの（以下、「コース試験片」という。）との２種を成形した。そして、これらを実施例１の試験片とした。

−実施例２−
成形型温度を２０℃としたことを除いて実施例１と同様に試験片を成形した。そして、これらを実施例２の試験片とした。

−比較例１−
シリンダ温度を２４０℃としたことを除いて実施例１と同様に試験片を成形した。そして、これらを比較例１の試験片とした。

−比較例２−
成形型温度を２０℃及びシリンダ温度を２４０℃としたことを除いて実施例１と同様に試験片を成形した。そして、これらを比較例２の試験片とした。

−コントロール試験片−
実施例１〜２及び比較例１〜２のそれぞれの成形型温度条件及びシリンダ温度条件で、繊維シート材を有さない樹脂材だけの試験片を成形した。そして、これらをそれぞれＣ−１〜Ｃ−４とした。

＜試験評価方法＞
実施例１〜２、比較例１〜２及びＣ−１〜Ｃ−４のそれぞれについて、精密万能試験機（島津製作所（株）社製 製品名：オートグラフＡＧ−ＩＳ）を用いて引張試験を行った。引張試験は、ＪＩＳ Ｋ７１６１に準じ、クロスヘッドスピードを５０ｍｍ／ｍｉｎ、チャック間距離を１１５ｍｍとし、常温下で行った。また、引張試験は、ウェール試験片及びコース試験片のそれぞれについて行った。

そして、実施例１〜２及び比較例１〜２のそれぞれの引張強度を、対応する条件で成形されたコントロール試験片Ｃ−１〜Ｃ−４の引張強度を基準として正規化した。

＜試験評価結果＞
図４及び表１は試験評価結果を示す。

これらの結果によれば、ウェール試験片については、実施例１〜２では、コントロール試験片に対し、引張強度がそれぞれ１１４％及び１０９％であり、比較例１〜２では、それぞれ１０３％及び１０２％であり、従って、シリンダ温度、つまり、成形温度が高い方が補強効果が高いことが分かる。

形態観察したところ、実施例１〜２では、図５（ａ）及び（ｂ）に示す平編物を構成する糸の曲線部分Ｃの繊維表面が試験片本体に溶融固化して一体化した形態が観察されたのに対し、比較例１〜２では、繊維表面が溶融固化した形態が観察されなかった。

以上のことから、ウェール試験片については、実施例１〜２では、平編物を構成する糸の曲線部分Ｃの繊維表面が試験片本体に溶融固化して一体化し、各直線部分Ｌの繊維表面の溶融が上記曲線部分Ｃよりも少ないため、各直線部分Ｌがその長さ方向への補強効果を有効に発現し、その結果、全体としても高い補強効果が得られたのに対し、比較例１〜２では、各直線部分Ｌによる補強効果が十分に奏されず、そのために実施例１〜２程の補強効果が得られなかったものと推測される。

また、ウェール試験片については、実施例１の方が実施例２よりも補強効果が高く、このことから、成形型温度を高くすることにより、平編物を構成する糸の曲線部分Ｃの繊維表面の溶融が促進されるものを推測される。

一方、コース試験片については、実施例１〜２では、コントロール試験片に対し、引張強度がそれぞれ９８％及び９７％であり、比較例１〜２では、それぞれ９３％及び９５％であり、いずれもコントロール試験片よりも低いことが分かる。これは、平編物がコース方向に容易に伸縮するため、その補強効果が得られず、単に平編物の体積分の樹脂が無いために強度が低下したものと推測される。但し、正規化した引張強度は、実施例１〜２の方が比較例１〜２よりも高く、これも平編物を構成する糸の曲線部分Ｃの繊維表面が試験片本体に溶融固化して一体化していることによる効果であると推測される。

なお、コース試験片については、実施例１と実施例２との間、及び、比較例１と比較例２との間で大きな差はなく、従って、成形型温度による影響はないものと思われる。

（試験評価２）
＜試験評価用試験片＞
−実施例１−
実施例１の試験片であって、長さ８０．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍのものを上記と同様にして成形した。試験片は、ウェール試験片及びコース試験片の両方を成形した。

−比較例３−
平編物を、その裏目側が成形面に対向するように成形型に配置したことを除いて実施例１と同様に試験片を成形した。そして、これを比較例３の試験片とした。比較例３の試験片は、一方側の面に平編物の繊維シート材が、その表目側が試験片本体に対向するように設けられてインサートされたものである。試験片は、長さ１５５．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍのもの及び長さ８０．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍのもののそれぞれについて、ウェール試験片及びコース試験片の両方を成形した。

−コントロール試験片−
Ｃ−１のコントロール試験片であって、長さ８０．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍのものを上記と同様にして成形した。

＜試験評価方法＞
−引張試験−
比較例３の長さ１５５．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍの試験片について、上記と同様に引張試験を行った。引張試験は、ウェール試験片及びコース試験片のそれぞれについて行った。

そして、比較例３の引張強度を、対応する条件で成形されたコントロール試験片Ｃ−１の引張強度を基準として正規化した。

−曲げ試験−
実施例１、比較例３及びコントロール試験片Ｃ−１のそれぞれの長さ８０．０ｍｍ、幅１２．５ｍｍ及び厚さ３．０ｍｍの試験片について、引張圧縮試験機（（株）今田製作所社製 型式：ＳＶ−２０１）を用いて曲げ試験を行った。曲げ試験は、ＪＩＳ Ｋ７１７１に準じ、クロスヘッドスピードを１５．５ｍｍ／ｍｉｎ、支持点間距離を４８ｍｍとし、常温下で行った。また、実施例１及び比較例３については、繊維シート材が下側になるように試験片を配置し、ウェール試験片及びコース試験片のそれぞれについて曲げ試験を行った。

そして、実施例１及び比較例３のそれぞれの曲げ剛性を、対応する条件で成形されたコントロール試験片Ｃ−１の曲げ剛性を基準として正規化した。

＜試験評価結果＞
図５、６及び表２は試験評価結果を示す。

これらの結果によれば、ウェール試験片については、実施例１では、コントロール試験片に対し、引張強度が１１４％及び曲げ剛性が１１５％であり、比較例３では、引張強度が１００％及び曲げ剛性が９３％であり、従って、平編物の裏目側を試験片本体側とした方が表目側を試験片本体側とするよりも補強効果が高いことが分かる。なお、ここで、ウェール試験片についての曲げ剛性は、平編物のウェール方向、従って、ウェール試験片の長さ方向においての曲げ変形に対する曲げ剛性である。

これは、図５（ａ）及び（ｂ）からも分かるように、平編物の裏目側に糸の曲線部分Ｃが及び表目側に直線部分Ｌがそれぞれ位置付けられており、実施例１では、試験片本体に対し、主として曲線部分Ｃが溶融固化して一体化し、直線部分Ｌがその長さ方向に有効に補強効果を発現するのに対し、比較例３では、試験片本体に対し、主として直線部分Ｌが溶融固化して一体化し、その長さ方向への補強効果が弱められるためであると推測される。

なお、コース試験片については特に顕著な傾向は見られない。

以上に説明したように、本発明は、樹脂材製の成形体本体の表面に繊維シート材をインサートしてなる複合樹脂成形体及びその成形方法について有用である。

実施形態に係るバンパービームの斜視図である。 図１におけるII-II断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はバンパービームの射出成形方法を模式的に示す説明図である。 試験評価１の引張試験の結果を示すグラフである。 （ａ）は平編物の表目側の平面図であり、（ｂ）は裏目側の平面図である。 試験評価２の引張試験の結果を示すグラフである。 試験評価２の曲げ剛性試験の結果を示すグラフである。

１０ バンパービーム（複合樹脂成形体）
１１ ビーム本体（成形体本体）
１１ａ 前面部
１１ｂ 側面部
１１ｃ 没入部
１１ｄ リブ
１２ 繊維シート材
２０ 成形型
２１ 第１成形型
２２ 第２成形型
３０ 射出成形機
Ｃ キャビティ
Ｌ 曲線部分
Ｓ 直線部分

Claims (4)

1. 樹脂材製の成形体本体の表面に繊維シート材をインサートしてなる複合樹脂成形体であって、
   上記繊維シート材は、編物で構成されていると共に、その裏目側が上記成形体本体に対向するように設けられ、且つ繊維表面が該成形体本体に溶融固化して一体化していることを特徴とする複合樹脂成形体。
2. 請求項１に記載された複合樹脂成形体において、
   上記繊維シート材を構成する繊維が上記成形体本体を構成する樹脂材と同種の樹脂材で形成されていることを特徴とする複合樹脂成形体。
3. 請求項１又は２に記載された複合樹脂成形体において、
   上記繊維シート材は、一方の面が表目のみを有し且つ他方の面が裏目のみを有することを特徴とする複合樹脂成形体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された複合樹脂成形体の成形方法であって、
   成形型のキャビティ内の所定位置に、編物の繊維シート材を、その表目側が成形面に対向するように配置した後、該繊維シート材の裏目側において、溶融した樹脂材から成形体本体を成形することを特徴とする複合樹脂成形体の成形方法。

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