WO2018181290A1 - 積層体及びその製造方法 - Google Patents
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- B29C66/731—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined
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- B32B2262/10—Inorganic fibres
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- B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
- B32B2262/14—Mixture of at least two fibres made of different materials
-
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- B32B2307/40—Properties of the layers or laminate having particular optical properties
- B32B2307/402—Coloured
- B32B2307/4026—Coloured within the layer by addition of a colorant, e.g. pigments, dyes
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- B32B2307/70—Other properties
- B32B2307/732—Dimensional properties
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- B32B2439/00—Containers; Receptacles
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- B32B2439/00—Containers; Receptacles
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-
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- B32B2605/00—Vehicles
- B32B2605/08—Cars
Definitions
- the present invention relates to a method for producing a laminate in which a reinforcing member such as a fiber reinforced resin tape is laminated on a metal member, and a laminate obtained by the method.
- Fiber reinforced thermoplastic resin molded products in which reinforced fibers are combined with thermoplastic resins are excellent in mechanical properties and dimensional stability, so pipes, pressure vessels, automobiles, aircraft, electrical / electronic devices, toys, home appliances, etc. Used in a wide range of fields.
- polyolefin resin which is a hydrocarbon resin
- polypropylene resins are attracting attention because they are inexpensive, have a low specific gravity, have relatively high heat resistance, and have excellent properties such as moldability and chemical resistance.
- polyolefin resin has low polarity, it is inferior in interfacial adhesion with reinforcing fibers. Therefore, attempts have been made to improve the interfacial adhesion between the fiber and the matrix resin by surface treatment of the reinforcing fiber and application of a sizing agent.
- Patent Document 1 describes a fiber treatment agent using a polypropylene resin modified with an unsaturated dicarboxylic acid or a salt thereof.
- Patent Document 2 describes that an acid-modified polypropylene resin having a specific acid value is provided as a sizing agent suitable for a polypropylene resin.
- Patent Document 3 describes a carbon fiber containing an ionomer resin.
- Patent Document 4 describes a carbon fiber containing two types of acid-modified polypropylene resins. These are intended to improve the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin by using a resin having affinity for both the carbon fiber and the polyolefin resin.
- the tape winding molding method can be applied to a molded body having a relatively complicated shape, the tape winding molding method is preferably used for forming an external reinforcing layer such as a pipe or a pressure vessel (see, for example, Patent Document 5).
- Tape placement molding is a method in which thin tapes are precisely laminated on a complex-shaped surface in a position and direction controlled by a computer using a compaction roller. (For example, see Patent Document 6).
- a molding method using a laser fusion method can be mentioned.
- the present inventors thought that the phenomenon may be caused by a marked decrease in homogeneity as a composition containing resin and fiber.
- an object of the present invention is to provide a method for producing a laminate in which a fiber reinforced resin composition layer is laminated on a metal member, a method for producing a laminate with improved interfacial peel strength and surface properties, and a laminate obtained by the method. To provide a body.
- the present inventors have found that it is very effective to laminate a fiber reinforced resin composition layer on a metal member via a resin coating, and completed the present invention. That is, the present invention has the following configuration.
- the manufacturing method of the laminated body characterized by the above-mentioned.
- the fiber reinforced resin composition has a dye (II) that absorbs light having a wavelength of 300 to 3000 nm, 0.01 to 5% by mass (provided that the total of component (I) and component (C) is 100% by mass)
- the method for producing a laminate according to [1] further including:
- Component (I) contains a carboxylic acid group, and the content of structural units containing the carboxylic acid group is 0.010 to 0.045% by mass (provided that the total of component (I) and component (C) is 100% by mass).
- the maximum width of the surface of the metal member on the side where the fiber reinforced resin composition layer is partially laminated is 30 to 10,000 mm, and the width (Wf) of the fiber reinforced resin composition layer And the width (Wm) of the surface of the metal member (Wf / Wm) is 0.01 to 0.5.
- a metal member [13] a metal member; A resin coating located on the surface of the metal member; (I) 20 to 80% by mass of a polymer having a melting point and / or glass transition temperature of 50 to 250 ° C., and (C) 20 to 80% by mass of reinforcing fiber
- the fiber reinforced resin composition containing the fiber reinforced resin composition (however, the sum total of component (I) and component (C) shall be 100 mass%).
- the fiber reinforced resin composition has a dye (II) that absorbs light having a wavelength of 300 to 3000 nm, 0.01 to 5% by mass (provided that the total of component (I) and component (C) is 100% by mass)
- the component (I) contains a carboxylic acid group, and the content of the structural unit containing the carboxylic acid group is 0.010 to 0.045% by mass (provided that the total of the component (I) and the component (C) is 100% by mass).
- the fiber reinforced resin composition layer is laminated on the metal member via the resin film, the peel strength at the interface and the surface properties are improved. Furthermore, in the embodiment in which the fiber reinforced resin composition contains a specific dye, the deterioration and deformation of the matrix resin are suppressed even in tape winding molding and tape placement molding using the laser fusion method, and as a result, the fusion surface A laminate having excellent peel strength and surface properties can be provided. Therefore, the contribution of the present invention to industrial development is great.
- FIG. 6 It is a perspective view which shows the example of the laminated body (rotary body) of the aspect (3) of this invention.
- A) is typical sectional drawing of the rotary body shown in FIG. 6,
- B) and (C) are typical sectional drawings which show another example.
- the fiber-reinforced resin composition used in the present invention contains reinforcing fiber (C), polymer (I) having a melting point and / or glass transition temperature of 50 to 300 ° C., and, if necessary, dye (II). More specific preferred examples include the following reinforcing fiber bundle, matrix resin (example of polymer (I)), and, if necessary, dye (II).
- the polymer (I) means all polymers contained in the fiber-reinforced resin composition, and the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin used as a sizing agent for not only the matrix resin but also the reinforcing fiber. Also includes resin components such as (B).
- the polymer (I) is preferably an olefin polymer containing an olefin-derived structural unit having 2 to 20 carbon atoms, more preferably a propylene polymer, the details of which will be described later.
- the reinforcing fiber (C) for example, high strength and high elastic modulus fibers such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber, boron fiber, and metal fiber can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, carbon fiber is preferable.
- carbon fiber is preferable.
- PAN-based, pitch-based, or rayon-based carbon fiber is preferable from the viewpoints of improving mechanical properties and reducing weight.
- PAN-based carbon fiber is particularly preferable from the viewpoint of the balance between the strength and elastic modulus of the obtained molded product.
- the reinforced fiber (C) which provided electroconductivity for example, the reinforced fiber (C) containing metals, such as nickel, copper, and ytterbium, can also be used. It is preferable that a metal is contained in the form which coat
- the surface oxygen concentration ratio [O / C] which is the ratio of the number of oxygen (O) and carbon (C) atoms on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy, is preferably 0.05 to 0. 0.5, more preferably 0.08 to 0.4, and particularly preferably 0.1 to 0.3.
- the upper limit of the surface oxygen concentration ratio is not particularly limited, but is generally preferably 0.5 or less from the viewpoint of the balance between the handleability and productivity of carbon fibers.
- the surface oxygen concentration ratio [O / C] of the carbon fiber can be determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, the carbon fiber bundle from which the sizing agent or the like adhering to the carbon fiber surface is removed with a solvent is cut into 20 mm. These are spread and arranged on a copper sample support, and A1K ⁇ 1 and 2 are used as an X-ray source, and the inside of the sample chamber is kept at 1 ⁇ 10 8 Torr. The kinetic energy value (K.E.) of the main peak of C 1s is set to 1202 eV as a peak correction value associated with charging during measurement.
- a C 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 1191 to 1205 eV as KE. Further, the O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 947 to 959 eV as KE.
- the surface oxygen concentration ratio [O / C] is calculated as the atomic ratio.
- model ES-200 manufactured by Kokusai Electric Inc. is used, and the sensitivity correction value is set to 1.74.
- the method for controlling the surface oxygen concentration ratio [O / C] to 0.05 to 0.5 is not particularly limited.
- it can be controlled by methods such as electrolytic oxidation treatment, chemical solution oxidation treatment, and gas phase oxidation treatment.
- electrolytic oxidation treatment is preferred.
- the average fiber diameter of the reinforcing fiber (C) is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 ⁇ m, more preferably 3 to 15 ⁇ m, from the viewpoint of mechanical properties and surface appearance of the obtained molded product.
- the number of single yarns in the reinforcing fiber bundle is not particularly limited, but is usually 100 to 350,000, preferably 1,000 to 250,000, and more preferably 5,000 to 220,000.
- the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin (B) described later are used in the present invention, it is also expected to exhibit an excellent effect on a fiber bundle (large tow) having 40,000 or more fibers.
- the reinforcing fiber (C) is preferably sizing treated with a resin containing a specific component and used as a reinforcing fiber bundle.
- the resin used for the sizing treatment is a polyolefin containing an olefin unit having 2 to 20 carbon atoms, and the structural unit derived from propylene is preferably bonded to the polymer chain with the propylene resin (A) preferably 50 mol% or more. It is preferable to contain the propylene-type resin (B) which contains at least the carboxylate salt.
- the propylene resin (A) is composed of a component (A-1) having a weight average molecular weight exceeding 50,000 (hereinafter also referred to as “propylene resin component (A-1)”) and a component having a weight average molecular weight of 100,000 or less (A -2) [It is also preferable to include “propylene-based resin component (A-2)” hereinafter (molecular weight is component (A-1)> component (A-2)).
- the weight average molecular weight range of the propylene resin component (A-1) is preferably 70,000 or more, more preferably 100,000 or more.
- the upper limit of the weight average molecular weight of the propylene-based resin component (A-1) is not particularly limited, but is preferably 700,000, more preferably 500,000, particularly preferably from the viewpoints of melt fluidity during molding and appearance of the molded product. Is 450,000, most preferably 400,000.
- the range of the weight average molecular weight of the propylene-based resin component (A-2) is preferably 50,000 or less, more preferably 40,000 or less.
- the lower limit value of the weight average molecular weight of the propylene-based resin component (A-2) is preferably 10,000, more preferably 15,000, particularly preferably from the viewpoint of the strength of the reinforcing fiber bundle and handleability (such as stickiness). Is 20,000, most preferably 25,000.
- the propylene resin (A) preferably contains more than 60% by mass of the component (A-1) and 100% by mass or less, and more preferably contains 0 to 40% by mass of the component (A-2). Contains 70 to 100% by mass of component (A-1) and 0 to 30% by mass of component (A-2), particularly preferably 73 to 100% by mass of component (A-1) and component (A -2) in a proportion of 0 to 27% by mass (provided that the total of component (A-1) and component (A-2) is 100% by mass).
- the difference between the weight average molecular weight of the propylene resin component (A-1) and the weight average molecular weight of the propylene resin component (A-2) is preferably 20,000 to 300,000, more preferably 30,000 to 200,000. Particularly preferred is 35,000 to 200,000.
- the propylene resin (A) contains a relatively large amount of the propylene resin component (A-1) having a high weight average molecular weight, even if the amount of the propylene resin (A) used for the reinforcing fiber bundle is relatively small, There is a tendency that the problem of fluffing, the problem of shape change such as disintegration, peeling, and bending due to factors such as impact, and the problem of generation of fine powder due to them tend not to occur.
- the propylene-based resin (A) is a resin having a structural unit derived from propylene, and is usually a propylene polymer.
- the copolymer includes a structural unit derived from propylene and at least one olefin selected from ⁇ -olefin, conjugated diene, non-conjugated diene, etc. (excluding propylene) and a structural unit derived from polyene.
- ⁇ -olefin examples include ethylene, 1-butene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, 3-methyl-1-pentene, 4-methyl-1-hexene, and 4,4. Dimethyl-1-hexene, 1-nonene, 1-octene, 1-heptene, 1-hexene, 1-decene, 1-undecene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene, 1-octadecene, 1-eicosene, etc. And ⁇ -olefins having 2 to 20 carbon atoms excluding propylene. Of these, 1-butene, ethylene, 4-methyl-1-pentene and 1-hexene are preferable, and 1-butene and 4-methyl-1-pentene are particularly preferable.
- conjugated diene and the non-conjugated diene include butadiene, ethylidene norbornene, dicyclopentadiene and 1,5-hexadiene.
- the above ⁇ -olefin, conjugated diene and non-conjugated diene may be used in combination of two or more.
- the propylene-based resin (A) is preferably a random or block copolymer of propylene and the olefin or polyene compound. If it is in the range which does not impair the objective of this invention, another olefin type polymer can also be used together with a propylene type resin (A).
- olefin polymers for example, ethylene / propylene copolymers, ethylene / 1-butene copolymers, and ethylene / propylene / 1-butene copolymers are preferable.
- the proportion of the propylene-derived structural unit in the propylene-based resin (A) is preferably 50 to 100 mol%, more preferably 50 to 99, from the viewpoint of increasing the affinity with the later-described propylene-based resin (B) and matrix resin.
- the mol% particularly preferably 55 to 98 mol%, most preferably 60 to 97 mol%.
- a 13 C NMR method is generally used. Mass spectrometry and elemental analysis may be used. In addition, IR analysis is performed on a plurality of types of copolymers having different compositions determined by NMR, and a calibration curve is created from information such as absorption at a specific wave number and specimen thickness, and the composition is determined. You can also The IR method is preferably used for process analysis and the like.
- the propylene resin (A) preferably has a Shore A hardness of 60 to 90 or a Shore D hardness of 45 to 65.
- the Shore A hardness is more preferably 65 to 88, and particularly preferably 70 to 85.
- the Shore D hardness is more preferably 48 to 63, and particularly preferably 50 to 60.
- the Shore A hardness or Shore D hardness of the propylene-based resin (A) is within these ranges, the followability to the reinforcing fiber (C) is good, and partial cracks and the like hardly occur, and the stable shape is strengthened. It is easy to form a fiber bundle.
- the propylene-based resin (A) may be modified with a compound containing a carboxylic acid group or a carboxylic acid ester group, or may be an unmodified product.
- the amount of modification is preferably less than 2.0 mmol equivalent, more preferably 1.0 mmol in terms of a group represented by —C ( ⁇ O) —O—.
- the equivalent or less particularly preferably 0.5 mmol equivalent or less.
- the propylene resin component (A-2) is preferably a modified product.
- the propylene-based resin (A) is substantially unmodified depending on the application to be used.
- substantially unmodified means that it is desirably not modified at all, but even if it is modified, the amount of modification is preferably in terms of a group represented by —C ( ⁇ O) —O—. Is less than 0.05 mmol equivalent, more preferably 0.01 mmol equivalent or less, particularly preferably 0.001 mmol equivalent or less, and most preferably 0.0001 mmol equivalent or less.
- the melting point or glass transition temperature of the propylene resin (A) is 0 to 165 ° C. A resin that does not exhibit a melting point may be used.
- the propylene resin (B) is a propylene resin containing at least a carboxylate bonded to a polymer chain. This carboxylate is effective in terms of enhancing the interaction with the reinforcing fiber (C).
- examples of the propylene polymer include propylene homopolymers; ethylene / propylene copolymers, propylene / 1-butene copolymers, ethylene / propylene / 1-butene copolymers. Examples thereof include a copolymer of propylene and an ⁇ -olefin, or a copolymer of two or more types, represented by a combination.
- the monomer having a carboxylic acid structure for example, a monomer having a neutralized or non-neutralized carboxylic acid group, a saponified or non-saponified carboxylic acid Examples include monomers having an ester.
- Radical graft polymerization of such a propylene polymer and a monomer having a carboxylic acid structure is a typical method for producing the propylene resin (B).
- Specific examples of the olefin used for the propylene-based polymer are the same as those used for the propylene-based resin (A).
- propylene and a monomer having a carboxylic acid ester are directly polymerized to obtain a propylene-based resin (B), or ethylene, propylene and carboxylic acid if the polymer contains a large amount of ethylene.
- a propylene-based resin (B) can be obtained by high-pressure radical polymerization of a monomer having a structure.
- Examples of the monomer having a neutralized or non-neutralized carboxylic acid group and the monomer having a saponified or non-saponified carboxylic acid ester group include, for example, ethylenically unsaturated Carboxylic acid, its anhydride, its ester; the compound which has unsaturated vinyl groups other than an olefin is mentioned.
- ethylenically unsaturated carboxylic acid examples include (meth) acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, tetrahydrophthalic acid, itaconic acid, citraconic acid, crotonic acid, and isocrotonic acid.
- anhydride examples include Nadic acid TM (endocis-bicyclo [2.2.1] hept-5-ene-2,3-dicarboxylic acid), maleic anhydride, and citraconic anhydride.
- the monomer having an unsaturated vinyl group other than olefin examples include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, and i-butyl (meth).
- Acrylic acid esters hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, lactone-modified hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxy-3-phenoxy Hydroxyl-containing vinyls such as propyl acrylate, epoxy group-containing vinyls such as glycidyl (meth) acrylate and methyl glycidyl (meth) acrylate, vinyl isocyanate, isop Isocyanate group-containing vinyls such as phenyl isocyanate, aromatic vinyls such as styrene, ⁇ -methylstyrene, vinyltoluene, and t-butylstyrene, acrylamide, methacrylamide, N-methylolmethacrylamide, N-methylolacrylamide, Amides such as diacetone acrylamide and maleic acid amide, vinyl esters such as vinyl esters such
- Two or more of these monomers may be used in combination.
- acid anhydrides are preferable, and maleic anhydride is more preferable.
- the propylene resin (B) can be obtained by various methods as described above. More specifically, for example, a propylene polymer and an unsaturated vinyl group-containing ethylenically unsaturated carboxylic acid or a monomer having an unsaturated vinyl group other than an olefin in an organic solvent in the presence of a polymerization initiator.
- polymerization initiator examples include benzoyl peroxide, dichlorobenzoyl peroxide, dicumyl peroxide, di-tert-butyl peroxide, 2,5-dimethyl-2,5-di (peroxybenzoate) hexyne-3
- examples include various peroxide compounds such as 1,4-bis (tert-butylperoxyisopropyl) benzene.
- An azo compound such as azobisisobutyronitrile may be used.
- Two or more polymerization initiators may be used in combination.
- organic solvent examples include aromatic hydrocarbons such as xylene, toluene, and ethylbenzene; aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, decane, isooctane, and isodecane; fats such as cyclohexane, cyclohexene, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
- aromatic hydrocarbons such as xylene, toluene, and ethylbenzene
- aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, decane, isooctane, and isodecane
- fats such as cyclohexane, cyclohexene, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
- Cyclic hydrocarbons include ester solvents such as ethyl acetate, n-butyl acetate, cellosolve acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monoethyl ether acetate, and 3 methoxybutyl acetate; ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone; It is done.
- a mixture of two or more organic solvents may be used. Of these, aromatic hydrocarbons, aliphatic hydrocarbons and alicyclic hydrocarbons are preferable, and aliphatic hydrocarbons and alicyclic hydrocarbons are more preferable.
- the method of obtaining the propylene-based resin (B) through the neutralization or saponification step is a practically preferable method because it becomes easy to treat the raw material of the propylene-based resin (B) as an aqueous dispersion.
- basic substances used for neutralization or saponification of aqueous dispersions include alkali metals, alkaline earth metals or other metals such as sodium, potassium, lithium, calcium, magnesium, zinc; hydroxylamine, hydroxylation Inorganic amines such as ammonium; Organic amines such as ammonia, (tri) methylamine, (tri) ethanolamine, (tri) ethylamine, dimethylethanolamine, morpholine; Alkali metals or alkaline earths such as sodium oxide and sodium peroxide And metal or other metal oxides, hydroxides, hydrides; alkali metals such as sodium carbonate or alkaline earth metals or weak salts of other metals.
- carboxylate or carboxylate group neutralized or saponified with a basic substance carboxylic acid alkali metal salts such as sodium carboxylate and potassium carboxylate; ammonium carboxylate are suitable.
- the degree of neutralization or saponification that is, the conversion rate of the carboxylic acid group of the raw material of the propylene-based resin (B) to a carboxylate such as a metal salt or ammonium salt is determined by the stability of the aqueous dispersion and the adhesion to the fiber. From this point, it is usually 50 to 100%, preferably 70 to 100%, more preferably 85 to 100%.
- the carboxylic acid groups in the propylene resin (B) are preferably all neutralized or saponified by a basic substance, but some of the carboxylic acid groups may remain without being neutralized or saponified. .
- Examples of the method for analyzing the salt component of the carboxylic acid group include a method of detecting a metal species forming a salt by ICP emission analysis, a salt of an acid group using IR, NMR, mass spectrometry, elemental analysis, or the like. There is a method for identifying the structure of
- the propylene resin (B) is dissolved in heated toluene and titrated with a 0.1 N potassium hydroxide-ethanol standard solution.
- the acid value of the propylene-based resin (B) is obtained from the following formula and is calculated by comparison with the total number of moles of the original carboxylic acid group.
- Acid value (5.611 ⁇ A ⁇ F) / B (mgKOH / g)
- F Factor of 0.1 N potassium hydroxide-ethanol standard solution
- B Sample collection amount (g)
- the total amount is preferably 0.05 to 5 mmol equivalent in terms of a group represented by —O—. More preferably, it is 0.1 to 4 mmol equivalent, and particularly preferably 0.3 to 3 mmol equivalent.
- a technique for analyzing the content of the carboxylate as described above a method of quantitatively detecting a metal species forming a salt by ICP emission analysis, carboxylic acid using IR, NMR, elemental analysis or the like A method of quantifying the carbonyl carbon of the salt is mentioned.
- the following method can be illustrated as a more specific method for measuring the content of the carboxylic acid skeleton.
- the content of the carboxylic acid skeleton can be specified by a conventional method by 13 C NMR method under a high temperature solution condition of 100 MHz or higher and 120 ° C. or higher. Further, after measuring a plurality of samples having different carbonyl skeleton content by 13 CNMR to identify the carboxylic acid skeleton content, IR measurement of the same sample is performed, and characteristic absorption such as carbonyl, A method for identifying the introduction rate of the carboxylic acid skeleton by IR measurement by creating a calibration curve between the ratio of the other typical absorption and the content of the carboxylic acid skeleton is also known.
- the content of the carboxylic acid group of the propylene-based resin (B) can be evaluated by, for example, an acid value.
- the range of the acid value of the propylene resin (B) is preferably 10 to 100 mg-KOH / g, more preferably 20 to 80 mg-KOH / g, particularly preferably 25 to 70 mg-KOH / g, most preferably 25 to 65 mg. -KOH / g.
- the weight average molecular weight of the propylene resin (A) is preferably higher than the weight average molecular weight of the propylene resin (B).
- the difference between the weight average molecular weight of the propylene resin (A) and the weight average molecular weight of the propylene resin (B) is preferably 10,000 to 380,000, more preferably 120,000 to 380,000, particularly preferably 130,000. ⁇ 380,000.
- the weight average molecular weight of the propylene-based resin (B) is preferably from the above-mentioned points of interaction and compatibility with the propylene-based resin (A), preferably compatibility with the propylene-based resin (A-2). Is from 1,000 to 100,000, more preferably from 2,000 to 80,000, particularly preferably from 5,000 to 50,000, and most preferably from 5,000 to 30,000.
- the weight average molecular weight in the present invention is determined by gel permeation chromatography (GPC).
- the melt flow rate (ASTM 1238 standard, 230 ° C., 2.16 kg load) of the propylene-based resin (B) is preferably 3 to 500 g / 10 minutes.
- the lower limit is more preferably 5 g / 10 minutes, and particularly preferably 7 g / 10 minutes.
- the upper limit value is more preferably 400 g / 10 minutes, particularly preferably 350 g / 10 minutes.
- the preferred melt flow rate range may be the same numerical value range as described above according to ASTM 1238 standard, 190 ° C., 2.16 kg load.
- the proportion of the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin (B) in the reinforcing fiber bundle is 3 to 50 parts by mass, preferably 3 for the propylene-based resin (B) with respect to 100 parts by mass of the propylene-based resin (A). It is ⁇ 45 parts by mass, more preferably 5 to 45 parts by mass, particularly preferably 7 to 40 parts by mass. If it is in this range, it becomes possible to make the characteristics related to the strength, shape and the like derived from the propylene-based resin (A) compatible with the reinforcing fiber (C) at a high level.
- the amount of the propylene resin (B) is less than 3 parts by mass, the affinity with the reinforcing fiber (C) is lowered and the adhesive properties may be inferior. Moreover, when there are more propylene-type resin (B) than 50 mass parts, the intensity
- Propylene-based resins (A) and (B) are effectively reinforced with the molecular weight and content of the propylene-based resins (A) and (B) used in the reinforcing fiber bundle within the range described above. It is expected to interact with C) and the matrix resin, have relatively high compatibility, and improve adhesion.
- the reinforcing fiber bundle in addition to the propylene resin (A) and the propylene resin (B), other components may be used in combination as long as the effects of the present invention are not impaired.
- a propylene-based resin when a propylene-based resin is applied to the reinforcing fiber bundle in an emulsion state, a surfactant or the like that stabilizes the emulsion may be added.
- Such other components are preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 2% by mass with respect to 100% by mass in total of the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin (B). % Or less.
- the total content of the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin (B) is also preferably 0.3 to 5% by mass in 100% by mass of the entire reinforcing fiber bundle.
- the handleability here is, for example, the hardness and ease of handling of the fiber bundle when the fiber bundle is wound around a bobbin.
- it means the convergence of a chopped fiber bundle.
- the content exceeds 5% by mass, the mechanical properties of the molded body may be extremely lowered, or the fiber bundle may be extremely hard and may not be wound on the bobbin.
- the lower limit of the content is preferably 0.4% by mass from the viewpoint of the balance between the adhesiveness and the handleability of the reinforcing fiber bundle.
- the upper limit is preferably 4% by mass, more preferably 3% by mass.
- the above-mentioned mixture is melted as it is or in combination with a heat stabilizer, and the reinforcing fiber (C). And a method of bringing the mixture into contact with the reinforcing fiber (C) in an emulsion or suspension state. A heat treatment or the like may be performed after the contact step.
- a method of applying an emulsion of a mixture of a propylene resin (A) and a propylene resin (B) to the reinforcing fibers (C) and drying them is preferable because it can be easily adhered between single fibers.
- a method for imparting an emulsion to the reinforcing fiber (C) a known method such as a roller dipping method, a roller transfer method, or a spray method can be used.
- Emulsion can be produced by a known method. Specific production methods thereof are described in, for example, International Publication No. 2007/125924, International Publication No. 2008/096682, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-144146.
- ⁇ Short fibers are almost in the same state as before cutting.
- X The short fibers are largely dispersed or cracked.
- the monofilament forming the reinforcing fiber bundle preferably exhibits 60% or more, more preferably 70% or more, particularly preferably 80% or more of the propylene-based resin (A) on the surface of the monofilament in order to exhibit stronger adhesiveness. And a mixture containing the propylene-based resin (B). An uncoated portion cannot exhibit adhesiveness, and may become a starting point of peeling, thereby reducing the overall adhesiveness.
- the coating state can be evaluated, for example, by a scanning electron microscope (SEM) or a method of tracing the metal element of the carboxylate by elemental analysis of the fiber surface.
- the matrix resin used in the present invention is preferably a polyolefin resin from the viewpoint of low polarity, more preferably an ethylene polymer or a propylene polymer from the viewpoint of cost and weight reduction of the molded article, and a propylene resin (D). Particularly preferred.
- the propylene-based resin (D) may be an unmodified propylene-based resin, or may include a propylene-based resin including a carboxylic acid structure or a carboxylate structure by a method such as modification. Preferably, the latter modified propylene resin is included.
- the preferred weight ratio is 80/20 to 99/1 in terms of unmodified / modified product, more preferably It is 89/11 to 99/1, particularly preferably 89/11 to 93/7, and most preferably 90/10 to 95/5.
- the composition of the propylene-based resin (D) includes a general structural unit derived from the monomer (olefin, carboxylic acid ester compound, etc.) described in the description of the propylene-based resin (A) or the propylene-based resin (B).
- Propylene resin is a preferred embodiment.
- propylene polymers called homopolypropylene, random polypropylene, block polypropylene, and modified polypropylene.
- the weight average molecular weight Mw (D) of the propylene resin (D) is the following relationship with the weight average molecular weight Mw (A) of the propylene resin (A) and the weight average molecular weight Mw (B) of the propylene resin (B). It is preferable to satisfy. Mw (A)> Mw (D)> Mw (B)
- the weight average molecular weight of the propylene resin (D) is preferably 50,000 to 350,000, more preferably 100,000 to 330,000, and particularly preferably 150,000 to 320,000.
- the difference in molecular weight between the propylene-based resin (A) and the propylene-based resin (D) is preferably 10,000 to 400,000, more preferably 20,000 to 200,000, and further preferably 20,000 to 100,000.
- the fiber reinforced resin composition contains 25 to 75% by mass of the reinforcing fiber bundle, preferably 30 to 68 parts by mass, more preferably 35 to 65 parts by mass.
- the propylene resin (D) is contained in an amount of 75 to 25 parts by mass, preferably 70 to 32 parts by mass, more preferably 65 to 35 parts by mass. However, it is a value when the total of the reinforcing fiber bundle (component (A), component (B) and component (C)) and the propylene-based resin (D) is 100 parts by mass.
- the propylene-based resin (D) is in such a form that the propylene-based resin (D) is adhered around the reinforcing fiber bundle including the reinforcing fiber (C), the propylene-based resin (A), and the propylene-based resin (B).
- the propylene resin (D) preferably contains an unmodified propylene resin and an acid-modified propylene resin.
- the propylene resin (D) preferably contains an unmodified propylene resin and an acid-modified propylene resin.
- the structure between the reinforcing fiber and the resin tends to hardly change even when the laser fusion method described later is used. It is presumed that this is because even if the modified olefin polymer (A-2) in the vicinity of the reinforcing fiber is destroyed, the modified resin component of the propylene-based resin (D) is supplemented.
- the propylene-based resin (D) can be produced by a known method, and the stereoregularity of the resin (polymer) may be isotactic, syndiotactic or atactic.
- the stereoregularity is preferably isotactic or syndiotactic.
- Specific methods for producing the propylene-based resin (D) include, for example, International Publication No. 2004/087775, International Publication No. 2006/057361, International Publication No. 2006/123759, It is described in JP 2007-308667 A, WO 2005/103141 pamphlet, JP 4675629 A, WO 2014/050817 pamphlet, and JP 2013-237861 A.
- the mass ratio of the reinforcing fiber (C) and the polymer (I) in the fiber reinforced resin composition is 80/20 to 20/80, preferably Is 75/25 to 30/70, more preferably 70/30 to 35/65, particularly preferably 65/35 to 40/60, most preferably 60/40 to 40 to 60 (provided that component (I)) And the sum of components (C) is 100).
- a reinforced fiber (C) tape peeling may occur easily in the tape winding molded object mentioned later.
- strength of the tape winding molded object mentioned later may fall.
- the melting point or glass transition temperature of the polymer (I) is 50 to 300 ° C.
- a lower limit Preferably it is 70 degreeC or more, More preferably, it is 80 degreeC or more.
- the upper limit is preferably 280 ° C. or lower, more preferably 270 ° C. or lower, particularly preferably 260 ° C. or lower.
- fusing point is in these temperature ranges, it is more preferable that melting
- the polymer (I) preferably contains a carboxylic acid group.
- the total content of the reinforcing fiber (C) and the polymer (I) of the fiber-reinforced resin composition is 100% by mass, and the content of the structural unit containing a carboxylic acid group is 0.010 to 0.045% by mass, preferably 0.0. It is 012 to 0.040% by mass, and particularly preferably 0.015 to 0.035% by mass. If the content of the structural unit containing a carboxylic acid group is too low, tape peeling may easily occur in the tape winding molded body described later.
- a structural unit containing a carboxylic acid group for example, a structural unit derived from a carboxylic acid group or a structural unit derived from a carboxylate salt contained in a propylene resin (A), a propylene resin (B), or a propylene resin (D). Is mentioned.
- the acid value is preferably 0.1 to 0.55 mg-KOH / g, more preferably 0.12 to 0.45 mg-KOH / g, and particularly preferably 0.13 to 0.40 mg-KOH / g.
- the melt flow rate (ASTM 1238 standard, 230 ° C., 2.16 kg load) of the polymer (I) is preferably 1 to 500 g / 10 minutes, more preferably 3 to 300 g / 10 minutes, and particularly preferably 5 to 100 g / 10. Minutes.
- the weight average molecular weight of the polymer (I) is preferably 50,000 to 400,000, more preferably 100,000 to 370,000, particularly preferably 150,000 to 350,000.
- the reinforced fiber bundle containing a butene-type resin the olefin-type resin which contains the carboxylate couple
- the melt flow rate (MFR) determined under the condition of 190 ° C. and 2.16 kg load is preferably 0.01 to 20 g / 10 min in accordance with ASTM 1238 standard of butene resin.
- the lower limit value of MFR is more preferably 0.05 g / 10 minutes, and particularly preferably 0.07 g / 10 minutes.
- the upper limit value is more preferably 15 g / 10 minutes, particularly preferably 12 g / 10 minutes, and most preferably 10 g / 10 minutes.
- the MFR of the butene resin is preferably smaller than the MFR of the olefin resin.
- the weight average molecular weight (Mw) measured by GPC of the butene resin is preferably more than 50,000 and less than 1 million.
- the component with Mw exceeding 150,000 is more than 70% by mass and 100% by mass or less, and more preferably the component with Mw exceeding 150,000 is 73 to 100% by mass. If there are many components having a high molecular weight, it is considered preferable because the curing rate in the cooling process after melting is low. Moreover, it is preferable that Mw of a butene resin is larger than Mw of an olefin resin. The difference between the Mw of the butene resin and the Mw of the olefin resin is preferably 10,000 to 380,000, more preferably 120,000 to 380,000, and particularly preferably 130,000 to 380,000.
- the content of the olefin resin with respect to 100 parts by weight of the butene resin in the reinforcing fiber bundle is preferably 3 to 50 parts by weight, more preferably 5 to 45 parts by weight, and particularly preferably 7 to 40 parts by weight. is there.
- the total content of the butene-based resin and the olefin-based resin in the reinforcing fiber bundle is preferably 0.3 to 5% by mass, more preferably 0.4 to 5% by mass, and particularly preferably 0.5 to 4% by mass. Most preferably, it is 0.5 to 3% by mass.
- the reinforcing fiber bundle in this aspect tends to hardly cause a fuzzy shape, a shape change due to environmental factors such as impact, peeling, peeling or the like, and a shape change such as fine powder due to them.
- a relatively large amount of polypropylene resin having a relatively high molecular weight is contained, and the above problem is suppressed by the effects of entanglement of the molecular chains.
- a fiber having a large number of filaments it has been found in the examination of the present invention that there is a tendency for fluff to easily occur, and the effect of using the butene resin (A) functions more effectively in an embodiment having a large number of filaments. There are many cases.
- the butene-based resin is a resin having a structural unit derived from butene in a proportion exceeding 50 mol%, and may have a structural unit derived from a monomer other than butene.
- the proportion of the structural unit derived from butene is preferably 55 mol% or more, more preferably from the viewpoint of affinity with the matrix resin and affinity with an olefin resin containing at least a carboxylate mixed with the butene resin. It is 60 mol% or more, particularly preferably 70 mol% or more, and most preferably 90 mol% or more.
- a relatively soft butene resin is required, a random or block copolymer is preferable.
- the proportion of the structural unit derived from butene is preferably 50 to 90 mol%, more preferably 70 to 90 mol%, and particularly preferably 75 to 85 mol%.
- monomers other than butene include ⁇ -olefins other than butene, conjugated dienes, and nonconjugated dienes. Two or more of these copolymerizable monomers may be used in combination.
- ⁇ -olefin examples include ethylene, propylene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, 3-methyl-1-pentene, 4-methyl-1-hexene and 4,4 dimethyl- Butene such as 1-hexene, 1-nonene, 1-octene, 1-heptene, 1-hexene, 1-decene, 1-undecene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene, 1-octadecene, 1-eicosene And an ⁇ -olefin having 2 to 20 carbon atoms excluding.
- propylene, ethylene, 4-methyl-1-pentene, and 1-hexene are preferable, and ethylene, propylene, and 4-methyl-1-pentene are more preferable.
- Specific examples of the conjugated diene and the non-conjugated diene include butadiene, ethylidene norbornene, dicyclopentadiene and 1,5-hexadiene.
- the preferred range of the hardness and modification amount of the butene resin is the same as that of the propylene resin (A) described above. However, it is often preferable that the butene resin is a modified body.
- the olefin resin containing at least the carboxylate mixed with the butene resin is preferably the propylene resin (B) containing at least the carboxylate bonded to the polymer chain described above.
- the fiber reinforced resin composition used in the present invention may contain a dye (II) that absorbs light having a wavelength of 300 to 3000 nm.
- a dye such as known substances can be used without limitation, but carbon-based dyes are preferable, and carbon black is more preferable.
- the amount of pigment (II) in the fiber reinforced resin composition is 0.01 to 5 parts by mass (provided that the total of component (I) and component (C) is 100 parts by mass).
- About a lower limit Preferably it is 0.1 mass part or more, More preferably, it is 0.2 mass part or more.
- the upper limit is preferably 3 parts by mass or less, more preferably 2 parts by mass or less.
- the resin film may have a multilayer structure having a plurality of layers having different pigment (II) contents, or may have a multilayer structure including a layer not containing the dye (II).
- the reinforcing fibers (C) are preferably oriented in one direction.
- the fiber reinforced resin composition layer may be formed by, for example, aligning the opened reinforcing fiber bundles and then bringing them into contact with the molten matrix resin, thereby reinforcing the fiber reinforcement in which the reinforcing fibers (C) are oriented in one direction.
- the method of obtaining a resin molding (unidirectional material) is mentioned. Unidirectional materials can be used as they are, or a laminate can be produced by laminating and integrating a plurality of unidirectional materials. Moreover, it can also cut
- a resin film is formed on the surface of the metal member before the layer such as the carbon fiber reinforced resin tape described above is laminated on the metal member. Then, a layer such as a carbon fiber reinforced resin tape is laminated on the resin film by a lamination method such as a tape placement method or a tape winding method.
- a lamination method such as a tape placement method or a tape winding method.
- the surface of the metal member may be referred to as a “base”, and the step of forming a resin film may be referred to as a “base treatment”.
- the fiber reinforced resin composition layer is preferably laminated by a laser fusion method.
- a laser fusion method When the laser fusion method is used, problems such as winding misalignment, loosening, and structural defects hardly occur in the fiber reinforced resin composition layer, and the manufacturing process is relatively simple and takes a short time.
- a fiber-reinforced resin composition is processed into a tape shape by a known method, and this is applied to the surface of a metal member that has been ground-treated while melting the tape surface by a tape placement method or a tape winding method using a laser fusion method.
- a method of fusing while contacting is mentioned. Examples of the tape placement method and the tape winding method are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
- the light source and the mandrel are appropriately moved for efficient melting and fusion.
- the moving speed is 10 to 100 m / min, preferably 30 to 90 m / min, as the scanning speed of the fiber reinforced resin composition tape.
- the wavelength of the laser is preferably 300 to 3000 ⁇ m. This wavelength preferably includes the absorption wavelength region of the reinforcing fiber (C) or the pigment (II).
- the output power of the laser is preferably 50 W to 5 kW. If the output is too strong, the resin may be deteriorated or deformed. On the other hand, if the output is too weak, the resin may not melt.
- the laminate obtained by such a method can be used for various purposes.
- it can be suitably used for external reinforcement parts of various containers such as automobile doors, hatches, chassis and other structures, pipes and pressure vessels.
- the kind of resin film used for this invention is not specifically limited, From the point of affinity with a fiber reinforced resin composition, the propylene-type resin (A), propylene-type resin (B), and matrix resin which are used for a fiber reinforced composition It is preferable to use the same type of resin or resin composition.
- the propylene-based resin (A) is used for the resin coating, it is a polyolefin containing an olefin unit having 2 to 20 carbon atoms as in the case of the fiber reinforced resin composition, and the constituent unit derived from propylene is preferably 50 mol. % Propylene-based resin.
- the propylene-based resin (B) is used for the resin coating, it is a propylene-based resin containing at least a carboxylate bonded to the polymer chain, as in the case of the fiber reinforced resin composition.
- the matrix resin is used for the resin coating, it is not particularly limited as in the case of the fiber reinforced resin composition, but is preferably a propylene resin (D).
- Preferred structural unit weight average molecular weight, melting point, glass transition temperature when propylene resin (A) and propylene resin (B) are used for the resin coating; component (A-1) and component in propylene resin (A) Preferred content of (A-2) and weight average molecular weight of both; Preferred blending ratio when propylene resin (A) and propylene resin (B) are used in combination; When propylene resin (D) is used for the resin coating
- the preferred structural unit, weight average molecular weight, hardness, and modification amount are the same as in the case of the fiber reinforced resin composition.
- the resin film used in the present invention preferably has a layer not containing the dye (II). More specifically, the surface in contact with the metal member is preferably a layer that does not contain the dye (II). This is because, when conductive particles such as carbon black (an example of the dye (II)) come into contact with the surface of the metal member, contact may occur.
- the resin film preferably includes a layer containing a pigment (II) such as carbon black on the surface to be laser-fused. That is, the resin film preferably has a multilayer structure having a plurality of layers having different pigment (II) contents.
- a pigment (II) such as carbon black
- the content of the dye (II) in the layer in contact with the metal member in the resin coating is usually 3% by mass or less, preferably 2% by mass or less, more preferably 100% by mass of the resin used for the resin coating. It is 1% by mass or less, particularly preferably 0.5% by mass or less.
- the content of the dye (II) in the layer in contact with the surface to be laser-fused is preferably 4% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and particularly preferably 7% by mass or more.
- the upper limit is preferably 40% by mass, more preferably 35% by mass, and particularly preferably 30% by mass.
- the thickness of the resin coating is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 ⁇ m, more preferably 5 to 50 ⁇ m.
- the method for forming the resin film is not particularly limited, and examples thereof include known methods such as a dipping method, a coating method using a brush or a roller, and a spray method.
- the shape and thickness of the metal member used in the present invention are not particularly limited.
- the present invention is effective regardless of the shape and thickness of the metal member.
- a fiber reinforced resin composition layer may be laminated
- a mode in which a fiber reinforced resin composition layer is partially laminated on a metal member via a resin film This mode (1) is particularly effective for a relatively thin metal member.
- the thickness of the metal member is usually 0.2 to 1.6 mm, preferably 0.3 to 1.0 mm.
- the shape of the metal member is not particularly limited, and may be a flat plate or a three-dimensional shape such as a curved plate. Examples of the three-dimensional shape include a general shape such as a pyramid shape, a dome shape, a roof shape, a shape in which a pipe is halved, and a combination of these shapes.
- the three-dimensional shape usually has an inflection point (for example, a portion corresponding to an apex portion or a ridge line in a pyramid shape) in many cases. However, the shape may not have an inflection point. Aspect (1) is preferable because an effect of suppressing deformation of a three-dimensional shape is also obtained.
- the method for producing a laminate includes a step of forming a resin coating on the surface of a relatively thin metal member, and a method of forming the metal member through a resin coating of the fiber reinforced resin composition layer by a laser fusion method. And a step of partially laminating the surface. What is necessary is just to form a resin film in the lamination
- the ratio (Xm / Xf) to the area (Xf) of the partially laminated layer is usually 5/1 to 50/1, preferably 8/1 to 25/1.
- the width (Wf) of the fiber reinforced resin composition layer (particularly the width when the fiber reinforced resin composition layer has a tape-like length, width, and thickness) is not particularly limited.
- the thickness is preferably 6 to 50 mm, more preferably 10 to 30 mm. Tapes can be arranged side by side to form a substantially thicker tape.
- the maximum width of the surface of the metal member on the side where the fiber reinforced resin composition layer is partially laminated is preferably 30 to 10,000 mm, more preferably 40 to It is 5000 mm, particularly preferably 40 to 2500 mm.
- the ratio (Wf / Wm) between the width (Wf) of the fiber-reinforced resin composition layer and the width (Wm) of the surface of the metal member is preferably 0.01 to 0.5, more preferably 0.5. 02 to 0.2.
- the laminate has a thickness of 0.2 to 1.6 mm, a metal member having a curved surface with an inflection point, and the resin film described above formed on the surface of the metal member And the above-described fiber reinforced resin composition layer partially laminated on the surface of the metal substrate via the resin film.
- the ratio (Xm / Xf) of the total area (Xm) of the surface of the metal member to the area (Xf) of the part where the fiber reinforced resin composition layer is partially laminated is 5/1 to 50/1, preferably 8/1 to 25/1.
- the fiber reinforced resin composition layer is not laminated
- the layer containing a fiber reinforced resin composition is a layer laminated
- FIG. 1 (A) to (J) are schematic plan views showing aspects of the laminate of such aspect (1).
- the surface of the metal member 101 can be laminated in various patterns in which the longitudinal directions of the plurality of fiber reinforced resin composition layers 102 are different from each other.
- an embodiment in which the longitudinal directions of the plurality of fiber reinforced resin composition layers 102 are cross-shaped is preferable.
- the fiber reinforced resin composition layer 102 since the influence of the fiber reinforced resin composition layer 102 acts as a force in a plurality of directions of two or more axes, the strain is difficult to concentrate, and the fiber reinforced resin composition layer 102 is made of metal. Despite being laminated only on a part of the member 101, it tends to exhibit excellent strength.
- an optimal pattern may be selected as appropriate according to the curved surface shape of the metal member 101 and the position of the inflection point, for example.
- the surface of the metal member 101 is not limited to a curved surface, A plane may be sufficient.
- the metal member is a container base having a curved shape
- This aspect (2) is particularly effective when manufacturing a laminated container such as a pressure container.
- the fiber reinforced resin composition layer when laminating using a laser fusion method, the fiber reinforced resin composition layer is wound, loosened, or structured. Problems such as defects are unlikely to occur, and the manufacturing process is relatively simple and short. Specifically, for example, the tape is not easily displaced during and after the fiber reinforced resin tape is bonded to the curved surface portion of the container base material. If there is no winding deviation, the tape can be wound in layers and the strength of the container can be increased.
- the aspect (2) since it is not necessary to use an organic solvent at the time of winding, there is no problem that the amount of resin is difficult to be uniform. Moreover, since an olefin resin is used as the matrix resin of the fiber reinforced resin composition, there is a tendency to obtain a container having better impact resistance than the conventional method using a thermosetting resin. In addition, when the olefin-based resin is laser-welded, structural defects of the resin are less likely to occur than when the thermosetting resin is thermoset. As a result, a container having a relatively thick fiber reinforced resin composition layer can be produced easily and in a short time.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing two examples of the method for producing the laminate of the aspect (2) (hereinafter also referred to as “laminated container”).
- laminate container the tape 202 of the fiber reinforced resin composition is hoop-wrapped on the surface of the body portion of the container base material 201 by a tape winding method, and simultaneously with this winding, laser irradiation is performed.
- Laser is irradiated from the apparatus 203, the tape 202 is fused to the surface of the container base 201, and a fiber reinforced resin composition layer (hoop layer) is formed on the surface of the body portion of the container base 201.
- FIG. 4 (a) while rotating the container base material 201, the tape 202 of the fiber reinforced resin composition is hoop-wrapped on the surface of the body portion of the container base material 201 by a tape winding method, and simultaneously with this winding, laser irradiation is performed.
- Laser is irradiated from the apparatus 203, the tape 202 is fused to
- the fiber 202 of the fiber reinforced resin composition is helically wound on the surface of the body portion of the container base material 201 by a tape winding method, and laser irradiation is performed simultaneously with this winding.
- Laser is irradiated from the apparatus 203, the tape 202 is fused to the surface of the container base 201, and a fiber reinforced resin composition layer (helical layer) is formed on the surface of the body portion of the container base 201.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the stacked container of the aspect (2).
- a hoop layer 204 is formed on the surface of the body portion of the container base 201, and a helical layer 205 is further formed thereon.
- the ratio (F / H) of the thickness (F) of the fiber reinforced resin composition layer by hoop winding and the thickness (H) of the fiber reinforced resin composition layer by helical winding is not particularly limited. It is preferably 0.25 to 4.0, more preferably 0.33 to 3.0, and particularly preferably 0.5 to 2.0. Setting the ratio of both thicknesses (F / H) within these ranges is preferable from the viewpoint of controlling the strength of the laminated container and the fracture mode.
- FIGS. 4 and 5 are preferable examples of the stacked container of the aspect (2), but the aspect (2) is not limited thereto.
- the hoop winding and the helical winding are performed by the tape winding method, but other winding methods may be used.
- both the hoop layer 204 and the helical layer 205 are formed as the fiber reinforced resin composition layer, but only one of them may be formed, or the other fiber reinforced resin composition layer. You may have.
- the thickness of the fiber reinforced resin composition layer is usually 1000 to 50000 ⁇ m, preferably 2000 to 50000 ⁇ m, more preferably 3000 to 25000 ⁇ m, and particularly preferably 4000 to 10,000 ⁇ m.
- the fiber reinforced resin composition layer can be formed without any problem.
- a laminate that is, a laminated container having a step of laminating a fiber reinforced resin composition layer on a metal container substrate having a curved shape, Forming a resin film on the metal container substrate; (I) 20 to 80 parts by mass of a polymer containing an olefin-derived unit having 2 to 20 carbon atoms and having a melting point and / or glass transition temperature of 50 to 300 ° C., and (C) 20 to 80 parts by mass of reinforcing fiber
- stacking the fiber reinforced resin composition layer containing a fiber reinforced resin composition (however, the sum total of a component (I) and a component (C) is 100 mass parts) through the said resin film by the laser-fusion method
- the manufacturing method of the laminated body namely, laminated container) characterized by having.
- a mode in which the metal member is a metal rotating body body
- This mode (3) is particularly effective when manufacturing rotating parts for automobiles such as a torque converter and a cover of a CVT pulley.
- the rotating body is reinforced by the fiber reinforced resin composition layer
- the rotating body can be used even when the metal plate constituting the outer shape of the rotating body is thinned for weight reduction. Is less susceptible to deformation or breakage due to centrifugal force.
- the fiber reinforced resin composition layer is laminated after forming the resin film, the peel strength and surface properties are also excellent. Therefore, it is advantageous not only in reducing the weight of the rotating body but also in reducing the size of the rotating body, simplifying the structure, reducing the manufacturing cost, and reducing the number of parts.
- the fiber reinforced resin composition layer when the fiber reinforced resin composition layer is laminated by a laser fusion method, problems such as winding deviation, looseness, and structural defects hardly occur in the fiber reinforced resin composition layer, and the manufacturing process is relatively A relatively thick fiber reinforced resin composition layer can be satisfactorily laminated easily and in a short time.
- problems such as winding deviation, slackness, and layer thickness variations occur, the position of the center of gravity of the rotating body may fluctuate, causing rotational blurring.
- Preventing such a problem is important in a rotating body. For example, if a fiber reinforced resin tape is wound around the outer peripheral surface of the rotating body and then laminated using a laser welding method such as laser winding molding, the tape is bonded to the curved surface and bonded.
- the tape is difficult to slip later. Moreover, since it is not necessary to raise the temperature of a rotary body main body when bonding a tape, it is not necessary to consider the difference of a thermal expansion coefficient of a rotary body main body and a tape, and there is no possibility that a tape may peel after cooling. In addition, it is expected that deformation due to heat at the time of bonding to the rotating body is suppressed, and it is difficult to cause a deviation of the rotating shaft of the obtained rotating body. Moreover, since it is not necessary to use an organic solvent at the time of winding, the problem that the amount of resin is hardly uniform does not occur.
- FIG. 6 is a perspective view showing an example of the rotating body according to the aspect (3).
- a resin coating 312 is formed on the entire outer surface of the rotating peripheral edge of the metallic rotator main body 311, and a fiber reinforced resin composition layer 313 is further formed on the resin coating 312.
- the rotating body 301 in which the fiber reinforced resin composition layer 313 is laminated on at least the outer peripheral surface of the metallic rotating body main body 311 is preferable from the viewpoint of preventing deformation or breakage due to centrifugal force.
- the outer surface of the rotating peripheral portion of the metallic rotating body 311 means an outer surface of the edge located at a position away from the rotating shaft.
- the outer peripheral surface of the rotating body main body 311 on which the fiber reinforced resin composition layer 313 is formed corresponds to this.
- the outer peripheral surface of the rotating body main body 311 is a flat peripheral surface whose entire surface is parallel to the rotation axis, but the aspect (3) is not limited to this, and the outer peripheral surface thereof A part of the surface may be curved.
- the shape curved so that a part of the outer peripheral surface for example, a corner portion of the outer peripheral surface
- the reinforcing fibers (C) in the fiber reinforced resin composition layer 313 are preferably oriented in one direction, and in particular from the viewpoint of preventing deformation or breakage due to centrifugal force, oriented in the rotational direction (circumferential direction) of the rotating body. More preferably.
- stacking method of the fiber reinforced resin composition layer 313 is not specifically limited, It is preferable to laminate
- FIG. 6 when the fiber reinforced resin composition layer 313 is laminated on the outer surface of the rotating peripheral edge of the metal rotating body 311, it is preferable to laminate the layers by a laser welding method using tape winding.
- FIG. 8 when the fiber reinforced resin composition layer 313 is laminated on the side surface of the metallic rotating body 311, it is preferably laminated by a laser fusion method using a tape placement.
- the surface of the rotating body is contacted and fused by the tape winding method while melting the fiber reinforced resin composition tape by laser irradiation.
- FIG. 7A is a schematic cross-sectional view of the rotator 301 shown in FIG.
- a resin coating 312 and a fiber reinforced resin composition layer 313 are laminated on the entire outer surface of the rotating peripheral edge of the metallic rotating body main body 311.
- the aspect (3) is not limited to this.
- a resin coating and a fiber reinforced resin composition layer are not formed on a part of the outer surface of the rotating peripheral edge of the metallic rotating body.
- a resin coating 312 is formed only on a part of the outer peripheral surface of the rotating body of the metal, not on the entire surface, and the fiber reinforced resin composition It is considered possible to prevent adverse effects due to dimensional fluctuations caused by swelling or shrinkage of the metallic rotating body in the diameter direction by partially providing a portion where the layers are not sufficiently bonded.
- a resin coating 312 and a fiber reinforced resin composition layer 313 are laminated on the outer surface of the rotating peripheral portion of the metallic rotating body 311.
- the aspect (3) is not limited to this.
- the resin coating 312 and the fiber reinforced resin composition are formed not only on the outer surface of the rotating peripheral edge of the metallic rotating body main body 311 but also on the side surface of the metallic rotating body main body 311.
- the layer 313 may be stacked.
- the resin coating 312 and the fiber reinforced resin composition layer 313 are laminated on the inner surface rather than the outer surface of the rotating peripheral edge of the metallic rotating body main body 311. May be.
- the resin film 312 and the fiber reinforced resin composition layer 313 may be laminated on both the outer surface and the inner surface.
- the thickness of the fiber reinforced resin composition layer is preferably 2000 to 50000 ⁇ m, more preferably 3000 to 25000 ⁇ m, and particularly preferably 4000 to 10,000 ⁇ m.
- the fiber reinforced resin composition layer can be formed without any problem.
- the resin coating may contain reinforcing fibers.
- the content is preferably less than 20% by mass, more preferably 15% by mass or less, particularly preferably 10% by mass or less, and most preferably 5% by mass or less, based on the entire resin film.
- dye is also the same range. If the content of reinforcing fibers and pigments is in the above numerical range, the resin film becomes a relatively flexible layer, so materials with different deformation rates with respect to heat and temperature (metal rotating body and fiber reinforced resin composition layer) can be used. Despite the use, problems due to deformation of these components can be alleviated.
- Sample concentration 0.15% (w / v)
- Sample solution volume 500 ⁇ l
- Standard sample for creating calibration curve Monodispersed polystyrene manufactured by Tosoh Corporation
- Molecular weight calibration method Standard calibration method (polystyrene conversion)
- Conversion rate% (1-r) ⁇ 100 (%) r: Number of moles of unneutralized carboxylic acid groups / total number of moles of carboxylic acid groups
- Tm melting
- DSC differential scanning calorimeter
- DSC220C apparatus Seiko Instruments Inc. Specifically, 7 to 12 mg of sample was sealed in an aluminum pan and heated from room temperature to 200 ° C. at 10 ° C./min. The sample was held at 200 ° C. for 5 minutes to completely melt all crystals and then cooled to ⁇ 50 ° C. at 10 ° C./min. After 5 minutes at ⁇ 50 ° C., the sample was heated a second time to 200 ° C. at 10 ° C./min. The peak temperature in the second heating test was adopted as the melting point (Tm-II).
- IFSS interfacial shear strength
- fragmentation method interfacial shear strength (fragmentation method) between the reinforcing fiber bundle and the matrix resin was measured by the following method. Two 100 ⁇ m-thick resin films (20 cm ⁇ 20 cm square) made of matrix resin were produced. Then, one 20 cm long single fiber taken out from the reinforcing fiber bundle was linearly arranged on one resin film, and the other resin film was arranged so as to sandwich the single fiber. This was press-pressed at 200 ° C. for 3 minutes at a pressure of 4 MPa to produce a sample in which the single fibers were embedded in the resin.
- test piece having a thickness of 0.2 mm, a width of 5 mm, and a length of 30 mm in which a single fiber was buried in the center. Furthermore, a total of 5 test pieces were produced by the same method. These five test pieces were subjected to a tensile test under the conditions of a test length of 14 mm and a strain rate of 0.3 mm / min using a normal tensile test jig, and the average break fiber when no fiber breakage occurred. The length (l) was measured using a transmission optical microscope.
- Lc is the critical fiber length
- L is the average value of the final fiber break length ( ⁇ m)
- ⁇ f is the fiber tensile strength (MPa)
- d is the fiber diameter ( ⁇ m) (references). : Osawa et al., Textile Society Journal Vol. 33, No. 1 (1977)).
- ⁇ f was determined by the following method assuming that the tensile strength distribution of the fiber follows the Weibull distribution. That is, using a single fiber, a relational expression between the sample length and the average tensile strength is obtained from the average tensile strength obtained at a sample length of 5 mm, 25 mm, and 50 mm by the least square method, and the average tensile strength at the sample length Lc is obtained. Was calculated.
- Adhesiveness A carbon fiber bundle obtained by a roller impregnation method described later was placed on a test piece of SUS304 and dried at 120 ° C. After drying, the tackiness was evaluated according to the following criteria by the 180 ° peel method. ⁇ : The fiber bundle is easily peeled off from SUS304. X: The fiber bundle is bonded to SUS304 and is difficult to peel off.
- Opening property The carbon fiber bundle obtained by the roller impregnation method described later was slid on a metal rod heated to 100 ° C. or higher, and the opening state was evaluated based on the following criteria. ⁇ : The fibers spread uniformly. X: A bundled fiber portion remains.
- ⁇ Reinforcing fiber (C)> A carbon fiber bundle (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Pyrofil (registered trademark) TR50S12L, 12,000 filaments, strand strength 5000 MPa, strand elastic modulus 242 GPa) is immersed in acetone and subjected to ultrasonic waves for 10 minutes, and then carbon fiber. The bundle was pulled up, washed three times with acetone, and dried at room temperature for 8 hours to remove the attached sizing agent.
- propylene resin (A) weight average molecular weight measured by GPC is 120,000, 100 parts by mass of propylene / butene / ethylene copolymer having no melting point, and raw material of propylene resin (B) is modified with maleic anhydride 10 parts by weight of a propylene polymer (weight average molecular weight Mw: 27,000, acid value: 45 mg-KOH / g, maleic anhydride content: 4% by weight, melting point: 140 ° C.), potassium oleate as a surfactant 3 parts by weight were mixed.
- the extruded resin mixture was cooled to 110 ° C. with a jacketed static mixer installed at the extruder port, and further poured into warm water at 80 ° C. to obtain an emulsion.
- the obtained emulsion had a solid content of 45%.
- the maleic anhydride-modified propylene-based resin is composed of 96 parts by weight of a propylene / butene copolymer, 4 parts by weight of maleic anhydride, and a polymerization initiator (manufactured by NOF Corporation, Perhexa (registered trademark) 25B). It is a modified resin obtained by mixing 4 parts by mass and performing modification at a heating temperature of 160 ° C. for 2 hours.
- Carbon black (Orion engineered carbons, trade name SPEZIALSCHWARZ 4 A) 4 g, acid-modified polyolefin (Mitsui Chemicals, trade name XP03B, nonvolatile content 20% by mass) 20 g, toluene 8 g, and 2 mm diameter glass beads 30 g was put into a 75 ml mayonnaise bottle and shaken with a shaker for 6 hours to disperse the carbon black.
- Example A1> The acid-modified polyolefin (Mitsui Chemicals, trade name XP10B, nonvolatile content 20%) is placed in a line shape on one end of an aluminum plate (material A1050P, width 60 mm ⁇ length 120 mm ⁇ thickness 1 mm) with a dropper. Coated with a bar coater. After drying at room temperature for 15 minutes, the surface treatment material containing 5% of carbon black produced in Production Example A4 was similarly placed in a line on one end of an aluminum plate with a dropper and the No. 20 bar on the dry film of XP10B. Coated with a coater. After drying at room temperature for 15 minutes, it was put into an oven at 200 ° C.
- XP10B nonvolatile content 20%
- the product was taken out and allowed to cool to room temperature to obtain an aluminum test piece coated with a black base material.
- the sample was fused to the length of the test piece by laser placement molding to obtain a sample with a 200 mm long tape protruding.
- the laser power for laser placement molding was 900 W, and the head moving speed was 9 m / min.
- Example A2> The same operation was performed except that the No. 20 bar coater of Example A1 was changed to the No. 40 bar coater to obtain an aluminum test piece coated with a black base material. Then, the same laser placement molding as in Example A1 was performed.
- Example A3> The same procedure was performed except that the ground treatment material containing 5% carbon black of Example A1 was changed to the ground treatment material containing 10% carbon black produced in Production Example A5, and the black ground treatment material was applied. A test piece of aluminum was obtained. Then, the same laser placement molding as in Example A1 was performed.
- Example A4 The same operation was performed except that the No. 20 bar coater of Example A3 was changed to the No. 40 bar coater to obtain an aluminum test piece coated with a black base material. Then, the same laser placement molding as in Example A1 was performed.
- Example A5 The same procedure was performed except that the ground treatment material containing 5% of carbon black in Example A1 was changed to the ground treatment material containing 20% of carbon black produced in Production Example A6, and the black ground treatment material was applied. A test piece of aluminum was obtained. Then, the same laser placement molding as in Example A1 was performed.
- Example A6 The same operation was performed except that the No. 20 bar coater of Example A5 was changed to a No. 40 bar coater, to obtain an aluminum test piece coated with a black base material. Then, the same laser placement molding as in Example A1 was performed.
- Example A1 The same procedure was performed except that the base treatment material containing 5% of carbon black in Example A1 was changed to an acid-modified polyolefin dispersion (R-300), and an aluminum test piece coated with a transparent base treatment material was prepared. Obtained. Then, the same laser placement molding as in Example 1A was performed.
- Appearance evaluation items were resin squeezing, fiber pop-out, low surface slipperiness, and surface gloss. Visual evaluation was performed according to the following criteria.
- the samples of Examples A1 to A6 had no resin squeezing or fiber jumping, and had good surface smoothness and surface gloss.
- the peeling surface after a peeling test was observed with the electron microscope (made by JEOL Ltd.)
- the peeled surface was an interface peeling between the reinforcing fiber and the resin or a partial breakage of the reinforcing fiber.
- the mass ratio of the unmodified propylene resin and the modified polypropylene was adjusted to 90/10 (weight average molecular weight corresponding to 330,000), and the content of carbon black was adjusted to 1% by mass of the entire resin composition.
- the melting point of the resin is 160 ° C., the maleic anhydride content relative to the entire resin composition: 0.023 mass%, fiber volume fraction Vf 0.4). This was cut using a slitter to obtain a 12 mm wide tape and a 36 mm wide tape.
- Example B1> (Formation of resin coating on flat steel plate) A plate steel plate sample of cold rolled steel plate (SPCC) having an A3 size (420 ⁇ 297 mm) and a thickness of 0.6 mm was prepared. The oil and fat adhering to the surface was wiped off with a cloth soaked with acetone. Next, acid-modified polyolefin (Mitsui Chemicals, trade name XP10B, nonvolatile content 20% by mass) was placed in a line shape on one end of the steel plate with a dropper and coated with a No. 6 bar coater.
- SPCC cold rolled steel plate
- the ground treatment material containing 5% by mass of carbon black obtained in Production Example A4 was similarly placed in a line on one end of the aluminum plate with a dropper, and No. 20 was placed on top of the dry film of XP10B.
- the bar coater was used for coating. After drying at room temperature for 15 minutes, it was put into an oven at 200 ° C. After 90 seconds, the steel sheet was taken out and allowed to cool to room temperature to obtain a steel sheet on which a black resin coating was formed.
- a “STWH INB” type winding head manufactured by AFPT which performs closed-loop control of a diode laser having an output of 3 kW and a wavelength of 960 to 1070 nm was mounted on the robot.
- the carbon fiber reinforced resin tape 102 having a width of 12 mm obtained in Production Example B2 is coated with a resin coating 103 and a 0.6 mm thick flat steel plate. It laminated
- the laser power for laser placement molding was 900 W, and the head moving speed was 9 m / min.
- the ratio (Xf / Xm) of the total area (Xm) of the upper surface of the steel plate 101 to the area (Xf) of the portion where the three carbon fiber reinforced resin tapes are laminated is 8.25 / 1. Further, by repeating this operation, a laminated body was obtained in which a six-layer tape 102 was laminated and laminated on a central portion having a width of 36 mm.
- Example B2> A laminate was produced by laser placement molding in the same manner as in Example B1, except that a steel plate having a thickness of 0.4 mm was used. The height of the warp of the central portion of this laminate was 5.0 mm, which was a relatively small warp.
- Example B1 First, in the same manner as in Example B1, a resin film was formed on a steel plate having a thickness of 0.6 mm. Then, the carbon fiber reinforced resin tape having a width of 36 mm obtained in Production Example B2 was placed on the center in the longitudinal direction of a 0.6 mm thick steel plate coated with the same resin coating as Example B1, and an iron (manufactured by Panasonic, The surface temperature of NI-A66-K) was set to 230 ° C., a mold release was sandwiched between the iron and the tape, and lamination was performed by pressing and adhering the tape resin while melting it with the iron. The temperature of the steel plate in the ironed part was 200 ° C. Further, by repeating this operation, a laminated body was obtained in which a six-layer tape 102 was laminated and laminated on a central portion having a width of 36 mm.
- Example B1 using a steel plate having the same thickness of 0.6 mm Compared with, it was a very large warp.
- Example B3> (Formation of resin film on curved steel plate) A cold rolled steel plate (SPCC) flat steel plate having a thickness of 0.4 mm, a length of 650 mm, and a width of 650 mm was press-formed into a pyramid shape having a height of 50 mm to obtain a curved steel plate sample. A curved steel plate coated with a black resin film was obtained in the same manner as in Example B1 except that this curved steel plate sample was used.
- SPCC cold rolled steel plate
- the carbon fiber reinforced resin tape 102 having a width of 12 mm obtained in Production Example B2 was formed by applying the resin film 103 as described above to a thickness of 0.6 mm. It laminated
- the four portions where the carbon fiber reinforced resin tapes 102 are laminated each have a width of 36 mm (three carbon fiber reinforced resin tapes 102 having a width of 12 mm are stacked side by side) and a length of 250 mm.
- Example B3 First, in the same manner as in Example 3B, a resin film was formed on a curved steel plate having a thickness of 0.6 mm. And the carbon fiber reinforced resin tape having a width of 36 mm obtained in Production Example B2 is placed on four places on the pyramid surface of the 0.6 mm thick curved steel plate coated with the same resin coating as Example B3, The surface temperature of the iron (manufactured by Panasonic) was set at 230 ° C., a release paper was sandwiched between the iron and the tape, and lamination was performed by pressing and pasting the tape resin while melting it with the iron. The temperature of the steel plate in the ironed part was 200 ° C. Further, this operation was repeated to obtain a laminate in which the six layers of tape 102 were laminated in the same place as in Example B3.
- a resin composition containing 43 parts by mass of a modified polypropylene grafted by mass% (according to ASTM D1238 at 190 ° C. with a load of 2.16 kg, a melt flow rate of 9.1 g / 10 min, a melting point of 155 ° C.) was prepared.
- a sheet having an average thickness of 150 ⁇ m was prepared by the method.
- a tape was obtained by the same method as in Production Example C1, except that the amount of reinforcing fiber bundle was changed to 75 parts by mass, the amount of matrix resin was changed to 25 parts by mass, and the fiber volume fraction Vf was changed to 0.6.
- Example C1> (Formation of resin film on metal pressure vessel base material) A pressure vessel base made of aluminum alloy and having a compressed gas amount of 500 L (length 57 cm excluding valves, diameter 10 cm) was prepared. The oil and fat adhering to the surface was wiped off with a cloth soaked with xylene. Next, acid-modified polyolefin (trade name XP10B, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc., nonvolatile content 20% by mass) was diluted with toluene to a concentration of 15% and applied by spraying. After drying at room temperature for 15 minutes, the carbon black dispersion obtained in Production Example A3 was applied by spraying from above the dry film of XP10B.
- XP10B acid-modified polyolefin
- the thickness of the coating film was 23 ⁇ m.
- a “STWH INB” type winding head manufactured by AFPT which performs closed-loop control of a diode laser having an output of 3 kW and a wavelength of 960 to 1070 nm was mounted on the robot.
- the carbon fiber reinforced resin tape 202 having a width of 12 mm obtained in Production Example C1 is applied to the pressure vessel base 201 on which the black resin coating is formed at an angle of 80 °. While being hoop-wound, they were laminated by laser winding molding. Further, the carbon fiber reinforced resin tape 202 was laminated by laminating by laser winding while being helically wound at an angle of 20 °.
- Example C2 A fiber reinforced resin composition layer having a thickness of 7.5 mm was obtained in the same manner as in Example 1C, except that the carbon fiber reinforced resin tape obtained in Production Example C2 was used.
- the ratio (F / H) of the thickness (F) of the fiber reinforced resin composition layer by hoop winding to the thickness (H) of the fiber reinforced resin composition layer by helical winding was 1.8.
- Example C3 A fiber reinforced resin composition layer having a thickness of 4.5 mm was obtained in the same manner as in Example 1C except that the carbon fiber reinforced resin tape obtained in Production Example C3 was used.
- the ratio (F / H) of the thickness (F) of the fiber reinforced resin composition layer by hoop winding and the thickness (H) of the fiber reinforced resin composition layer by helical winding was 1.5.
- Example C1 Laser winding molding is not performed. Instead, the pressure vessel base material is preheated in a 180 ° C. oven, and then the same carbon fiber reinforced resin tape hoop winding and helical winding as in Example C1 is performed, and then 180 ° C. again. The fiber-reinforced resin composition layer having a thickness of 9 mm was obtained. However, it was confirmed that a part of the tape at the end of the pressure vessel substrate was displaced and a part of the carbon fiber was cut.
- Example C2 Laser winding molding is not performed. Instead, the same carbon fiber reinforced resin tape hoop winding and helical winding as in Example C1 is performed while heating the tape using a heat gun, and then put in an oven at 180 ° C. for bonding. A 9 mm thick fiber reinforced resin composition layer was obtained. However, it was confirmed that a part of the tape at the end of the pressure vessel substrate was displaced and a part of the carbon fiber was cut.
- Example D1> (Formation of resin film on torque converter) The oil and fat adhering to the surface of a donut-shaped iron torque converter (rotary body) with a hole in the middle was wiped off with a cloth soaked in xylene. Next, acid-modified polyolefin (trade name XP10B, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc., nonvolatile content 20 mass%) was diluted with toluene to a concentration of 15%, and applied to the outer circumference of the donut shape by spraying. After drying at room temperature for 15 minutes, the carbon black dispersion obtained in Production Example A3 was applied by spraying from above the dry film of XP10B. After drying at room temperature for 15 minutes, it was put into an oven at 200 ° C. After 90 seconds, it was taken out and allowed to cool to room temperature to obtain a torque converter with a black resin coating applied. The thickness of the coating film was 23 ⁇ m.
- a “STWH INB” type winding head manufactured by AFPT which performs closed-loop control of a diode laser having an output of 3 kW and a wavelength of 960 to 1070 nm was mounted on the robot.
- the carbon fiber reinforced resin tape having a width of 12 mm obtained in Production Example C1 is laminated by laminating by laser winding while being wound around the outer circumference of the torque converter coated with the black resin film.
- a torque converter having a carbon fiber reinforced resin layer (corresponding to the rotating body in FIGS. 6 and 7A) was obtained.
- the thickness of the carbon fiber reinforced resin composition layer was 5 mm.
- Example D2 Carbon fiber reinforced resin tape was laminated in the same manner as in Example D1 except that only one layer was laminated by laminating by winding the carbon fiber reinforced resin tape while leaving a part of the outer peripheral surface of the torque converter. A torque converter having a resin layer (corresponding to the rotating body in FIG. 7B) was obtained. Although the outer peripheral surface of the torque converter (rotary body) is partially curved, the carbon fiber reinforced resin tape was completely in close contact with the torque converter.
- Example D3 When forming a resin film on the torque converter, spray the acid-modified polyolefin (trade name XP10B, product name: XP10B, nonvolatile content 20% by mass) diluted with toluene to a concentration of 15% in only 4 places.
- a converter (corresponding to the rotating body in FIG. 7C) was obtained.
- the thickness of the carbon fiber reinforced resin layer was 3 mm.
- ⁇ Reference Example D1> Laser winding molding is not performed. Instead, a torque converter (rotary body) is placed in an oven at 180 ° C. and preheated, and then the same carbon fiber reinforced resin tape as in Example D1 is wound around the outer peripheral surface, and then 180 ° C. again. Pasted in the oven. However, it was confirmed that a part of the tape at the end of the torque converter was displaced and a part of the carbon fiber was cut. The thickness of the carbon fiber reinforced resin layer was 5 mm.
- Example D4> (Formation of resin film on CVT pulley cover)
- the oil and fat adhering to the surface of the cover (rotary body) of the cup-type iron CVT pulley having a hole in the middle was wiped off with a cloth soaked in xylene.
- acid-modified polyolefin (trade name XP10B, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc., nonvolatile content 20% by mass) was diluted with toluene to a concentration of 15%, and applied to the cup-shaped outer circumference by spraying.
- the carbon black dispersion obtained in Production Example A3 was applied by spraying from above the dry film of XP10B.
- the thickness of the coating film was 23 ⁇ m.
- a robot equipped with a “STWH INB” type winding head manufactured by AFPT that performs closed-loop control of a diode laser having an output of 3 kW and a wavelength of 960 to 1070 nm was prepared.
- the carbon fiber reinforced resin tape having a width of 12 mm obtained in Production Example C1 was applied by laser winding molding while being wound around the outer peripheral surface of the cover of the CVT pulley on which the black resin coating was formed as described above.
- a CVT pulley cover (corresponding to the rotating body in FIGS. 6 and 7A) having a carbon fiber reinforced resin layer was obtained.
- the thickness of the carbon fiber reinforced resin composition layer was 3 mm.
- a melt flow rate (MFR) measured using a known magnesium compound-supported titanium catalyst with a Shore D hardness of 65 and 190 ° C. under a load of 2.16 kg according to the ASTM 1238 standard is 0.5 g / 10.
- 100 parts by mass of a butene homopolymer as a raw material, and 10 parts by mass of a maleic anhydride-modified propylene polymer (weight average molecular weight Mw 20,000, acid value: 45 mg-KOH / g) as a raw material for the propylene resin,
- a surfactant 3 parts by mass of potassium oleate was mixed.
- the extruded resin mixture was cooled to 110 ° C. with a jacketed static mixer installed at the extruder port, and further poured into warm water at 80 ° C. to obtain an emulsion.
- the resulting emulsion had a solid content concentration of 45%.
- the maleic anhydride-modified propylene resin is composed of 96 parts by mass of a propylene polymer, 4 parts by mass of maleic anhydride, and 0.4 parts by mass of a polymerization initiator (manufactured by NOF Corporation, Perhexa (registered trademark) 25B). Were mixed and modified at a heating temperature of 160 ° C. for 2 hours.
- Interfacial shear strength is a modified polypropylene (ASTM D1238) grafted with 0.5% by mass of commercially available unmodified propylene resin (manufactured by Prime Polymer, trade name Prime Polypro (registered trademark) J106MG) and maleic anhydride as a matrix resin. According to the above, it was measured using a mixture (mass ratio 95/5, Mw 300,000) having a melt flow rate measured at 230 ° C. of 9.1 g / 10 min. IFSS was 19.9 MPa. The spreadability was good (the fibers spread uniformly).
- a resin composition containing 43 parts by mass (mass ratio 95/5, Mw 300,000) of a mixture of a melt flow rate measured at 230 ° C. according to ASTM D1238 (9.1 g / 10 min) is prepared by a conventional method. (Fiber volume fraction Vf 0.4). This was cut with a slitter to obtain a fiber reinforced resin tape having a width of 12 mm and a thickness of 150 ⁇ m.
- a reinforcing fiber bundle was obtained in the same manner as in Production Example E1 except that a reinforcing carbon fiber bundle containing a commercially available epoxy compound was used.
- the carbon fiber bundle was slightly conspicuous.
- IFSS was 11 MPa.
- the tackiness was x (difficult to peel off).
- the spreadability was good (the fibers spread uniformly).
- the reinforcing fiber bundle of Production Example E1 had excellent performance in which both low fuzz and high interfacial shear strength were compatible.
- the reinforcing fiber bundle itself has low adhesiveness, it is excellent in handleability. Therefore, the resin composition including the reinforcing fiber bundle is also expected to have excellent strength and appearance.
- Example E1> The acid-modified polyolefin (Mitsui Chemicals, trade name XP10B, nonvolatile content 20%) is placed in a line shape on one end of an aluminum plate (material A1050P, width 60 mm ⁇ length 120 mm ⁇ thickness 1 mm) with a dropper. Coated with a bar coater. After drying at room temperature for 15 minutes, the surface treatment material containing 10% of carbon black produced in Production Example A5 was placed in a line on one end of the aluminum plate with a dropper in the same manner, and the No. 20 bar was placed on the dry film of XP10B. Coated with a coater. After drying at room temperature for 15 minutes, it was put into an oven at 200 ° C.
- XP10B nonvolatile content 20%
- a 12 mm width produced in Production Example E2 using a robot equipped with a “STWH INB” type winding head manufactured by AFPT that performs closed loop control of a diode laser having an output of 3 kW and a wavelength of 960 to 1070 nm on this resin coating.
- the sample was fused to the length of the test piece by laser placement molding to obtain a sample with a 200 mm long tape protruding.
- the laser power for laser placement molding was 900 W, and the head moving speed was 9 m / min.
- Example E2> The same operation was carried out except that the No. 20 bar coater of Example E1 was changed to the No. 40 bar coater to obtain an aluminum test piece coated with a black base material. Then, the same laser placement molding as in Example E1 was performed.
- Example E3> The same procedure was performed except that the base treatment material containing 10% carbon black of Example E1 was changed to the base treatment material containing 20% carbon black produced in Production Example A6, and the black base treatment material was applied. A test piece of aluminum was obtained. Then, the same laser placement molding as in Example E1 was performed.
- Example E4> The same operation was carried out except that the No. 20 bar coater of Example E3 was changed to the No. 40 bar coater to obtain an aluminum test piece coated with a black base material. Then, the same laser placement molding as in Example E1 was performed.
- Example E1 The same procedure was performed except that the base treatment material containing 10% of carbon black in Example E1 was changed to an acid-modified polyolefin dispersion (R-300), and an aluminum test piece coated with a transparent base treatment material was prepared. Obtained. Then, the same laser placement molding as in Example 1E was performed.
- the samples of Examples E1 to E4 had no resin squeezing or fiber jumping, and had good surface smoothness and surface gloss.
- the peeling surface after a peeling test was observed with the electron microscope (made by JEOL Ltd.)
- the peeled surface was an interface peeling between the reinforcing fiber and the resin or a partial breakage of the reinforcing fiber.
- the metal member and the fiber reinforced resin composition layer are firmly bonded and have excellent surface properties and peel strength, so that it is expected to have excellent handling properties and high mechanical properties. it can. For this reason, it can expand
- the laminate in the case where the metal member is thin can be developed for various uses, but is particularly suitable when used as a member having a curved surface such as an automobile outer plate (for example, a bonnet). .
- the laminate (laminated container) of the aspect (2) of the present invention can be used for various applications, but is particularly useful as a pressure vessel.
- Specific examples of the stacked container include a high-pressure gas tank, a medical gas container, a diving cylinder, and a vehicle-mounted pressure container.
- the laminate (rotary body) of the aspect (3) of the present invention can be used for various applications.
- it is suitable for engines, rotating parts of motors, pulleys, flywheels, transmission devices, torque converters, clutch parts, transmissions, CVT devices, fans, rotor blades and other rotating bodies.
- Metal member (steel plate) 102 Fiber reinforced resin composition layer (carbon fiber reinforced resin tape) 103 Resin coating 104 Warp height 105 Inflection point 201 Container substrate (pressure vessel substrate) 202 Tape of fiber reinforced resin composition (carbon fiber reinforced resin tape) DESCRIPTION OF SYMBOLS 203 Laser irradiation apparatus 204 Hoop layer 205 Helical layer 301,302,303,304,305 Rotating body 311 Metal rotating body main body 312 Resin coating 313 Fiber reinforced resin composition layer 324 Uncoated part
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Abstract
金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する工程を有する積層体の製造方法において、金属部材に樹脂被膜を形成する工程と、(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量%、及び(C)強化繊維20~80質量%を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、前記樹脂被膜を介して積層する工程とを有することを特徴とする積層体の製造方法;並びに、その方法により得られる積層体が開示される。
Description
本発明は、金属部材に繊維強化樹脂テープ等の補強材を積層する積層体の製造方法、及びその方法により得られる積層体に関する。
強化繊維を熱可塑性樹脂と複合させた繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、力学特性や寸法安定性に優れることから、パイプ、圧力容器、自動車、航空機、電気・電子機器、玩具、家電製品等の幅広い分野で使用されている。強化繊維の一種である炭素繊維は、軽量、高強度、高剛性であることから最近、注目されている。
一方、炭化水素系の樹脂であるポリオレフィン系樹脂は、一般的に安価であり、加工性、耐薬品性に優れ、焼却しても有害ガスを発生させ難い、リサイクル性に優れる等の優れた特徴を持つので、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂として注目されている。中でも、安価で、比重が小さく、比較的耐熱性が高く、成形性、耐薬品性等の優れた特性を有するポリプロピレン樹脂が注目されている。しかしながら、ポリオレフィン系樹脂は極性が低いので、強化繊維との界面接着性に劣る。したがって、強化繊維の表面処理やサイジング剤の付与により繊維とマトリックス樹脂との界面接着性を改善する試みが以前より行われている。
特許文献1には、不飽和ジカルボン酸又はその塩で変性されたポリプロピレン系樹脂を用いた繊維処理剤が記載されている。特許文献2には、ポリプロピレン樹脂に適したサイジング剤として特定の酸価を有する酸変性ポリプロピレン樹脂を付与することが記載されている。
特許文献3には、アイオノマー樹脂を含む炭素繊維が記載されている。特許文献4には、2種類の酸変性ポリプロピレン系樹脂を含む炭素繊維が記載されている。これらは、炭素繊維とポリオレフィン樹脂の両方に親和性のある樹脂を使用することにより、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面接着性を改善することを目的としている。
このような炭素繊維を含む樹脂組成物をテープワインディング成形やテーププレースメント成形に用いた例は少ない。テープワインディング成形方法は、比較的複雑な形状の成形体にも適用できるので、パイプや圧力容器等の外部補強層の形成等に好適に用いられる方法である(例えば特許文献5参照)。
テーププレースメント成形は、複雑な形状の表面に、コンピューターにより制御された位置と方向に正確に幅の細いテープをコンパクションローラーを使って積層する方法であり、より複雑な形状の積層が可能な方法である(例えば特許文献6参照)。
特に形状の自由度の高いテープワインディング成形方法あるいはテーププレースメント成形として、レーザー融着法を用いた成形方法を挙げることが出来る。
本発明者らが金属部材に対してレーザー融着法を用いたテーププレースメント成形やテープワインディング成形を試みたところ、テープの融着面の剥離強度や表面性状が十分とは言えないことが判明した。すなわち、融着面の剥離が起こり易い傾向や、表面平滑性が悪化することがあった。
本発明者らは、このような現象が以下の様な原因によるものではないかと推定した。すなわち、金属表面でレーザー光が反射してしまい金属の温度が上がらない反面、レーザーのエネルギーを吸収して発熱し易い炭素繊維等の強化繊維近傍での発熱が高過ぎ、マトリックス樹脂であるポリオレフィンが局部的に劣化してしまい、それが引き金となって表面荒れにつながることがあると考えた。また、その異常発熱により、樹脂が繊維より絞り出され、表面状態が極端に悪化する場合があるとも考えた。また、炭素繊維近傍の樹脂が溶融収縮して空洞が発生し、炭素繊維周りの剥離が起こり易くなるとも考えた。
すなわち本発明者らは、樹脂と繊維を含む組成物としての均質性が著しく低下することが要因となる現象ではないかと考えた。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明の目的は、金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する積層体の製造方法において、界面の剥離強度や表面性状が改善された積層体の製造方法、及びその方法により得られる積層体を提供することにある。
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、金属部材に樹脂被膜を介して繊維強化樹脂組成物層を積層することが非常に有効であることを見出し、本発明を完成した。すなわち本発明は、以下の構成を有する。
[1]金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する工程を有する積層体の製造方法において、
該金属部材に樹脂被膜を形成する工程と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、前記樹脂被膜を介して積層する工程と
を有することを特徴とする積層体の製造方法。
該金属部材に樹脂被膜を形成する工程と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、前記樹脂被膜を介して積層する工程と
を有することを特徴とする積層体の製造方法。
[2]繊維強化樹脂組成物が、波長が300~3000nmの光を吸収する色素(II)0.01~5質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)をさらに含む[1]に記載の積層体の製造方法。
[3]成分(I)がカルボン酸基を含み、該カルボン酸基を含む構造単位の含有率が0.010~0.045質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)である[1]に記載の積層体の製造方法。
[4]樹脂被膜が導電性粒子を含まない層を有する[1]に記載の積層体の製造方法。
[5]繊維強化樹脂組成物層を、レーザー融着法により積層する[1]に記載の積層体の製造方法。
[6]繊維強化樹脂組成物層を、樹脂被膜を介して金属部材に対し部分的に積層する[1]に記載の積層体の製造方法。
[7]金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1である[6]に記載の積層体の製造方法。
[8]金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の最大幅が30~10000mmであり、繊維強化樹脂組成物層の幅(Wf)と、金属部材の該表面の幅(Wm)との比(Wf/Wm)が0.01~0.5である[6]に記載の積層体の製造方法。
[9]金属部材が、曲面形状を有する容器基材である[1]に記載の積層体の製造方法。
[10]繊維強化樹脂組成物層を、フープ巻き及び/又はヘリカル巻きによって形成する[9]に記載の積層体の製造方法。
[11]金属部材が、金属製回転体本体である[1]に記載の積層体の製造方法。
[12]金属製回転体本体の少なくとも回転周縁部の外側の面に、繊維強化樹脂組成物層を積層する[11]に記載の積層体の製造方法。
[13]金属部材と、
該金属部材の表面に位置する樹脂被膜と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~250℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層と
を有する積層体。
該金属部材の表面に位置する樹脂被膜と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~250℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層と
を有する積層体。
[14]繊維強化樹脂組成物が、波長が300~3000nmの光を吸収する色素(II)0.01~5質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)をさらに含む[13]に記載の積層体。
[15]成分(I)がカルボン酸基を含み、該カルボン酸基を含む構造単位の含有率が0.010~0.045質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)である[13]に記載の積層体。
[16]樹脂被膜が導電性粒子を含まない層を有する[13]に記載の積層体。
[17]繊維強化樹脂組成物が、テープワインディング成形用繊維強化樹脂組成物である[13]に記載の積層体。
[18]繊維強化樹脂組成物層が、樹脂被膜を介して金属部材に対し部分的に積層された層である[13]に記載の積層体。
[19]金属部材が、曲面形状を有する容器基材である[13]に記載の積層体。
[20]金属部材が、金属製回転体本体である[13]に記載の積層体。
本発明によれば、金属部材に樹脂被膜を介して繊維強化樹脂組成物層を積層するので、界面の剥離強度や表面性状が改善される。さらに、繊維強化樹脂組成物が特定の色素を含む態様においては、レーザー融着法を用いたテープワインディング成形やテーププレースメント成形においてもマトリックス樹脂の劣化や変形を抑制し、その結果、融着面の剥離強度や表面性状の優れた積層体を提供することが出来る。よって本発明の産業発展への貢献は大きい。
<繊維強化樹脂組成物>
本発明に用いる繊維強化樹脂組成物は、強化繊維(C)と、融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体(I)と、必要に応じて色素(II)とを含む。より具体的な好ましい例としては、以下のような強化繊維束、マトリックス樹脂(重合体(I)の例)、及び必要に応じて色素(II)とを含む。なお、重合体(I)とは、繊維強化樹脂組成物中に含まれる全ての重合体を意味し、マトリックス樹脂だけでなく強化繊維にサイジング剤として用いられるプロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)等の樹脂成分をも包含する。重合体(I)は、好ましくは炭素原子数2~20のオレフィン由来構造単位を含むオレフィン系重合体であり、より好ましくはプロピレン系重合体であり、その詳細は後述する。
本発明に用いる繊維強化樹脂組成物は、強化繊維(C)と、融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体(I)と、必要に応じて色素(II)とを含む。より具体的な好ましい例としては、以下のような強化繊維束、マトリックス樹脂(重合体(I)の例)、及び必要に応じて色素(II)とを含む。なお、重合体(I)とは、繊維強化樹脂組成物中に含まれる全ての重合体を意味し、マトリックス樹脂だけでなく強化繊維にサイジング剤として用いられるプロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)等の樹脂成分をも包含する。重合体(I)は、好ましくは炭素原子数2~20のオレフィン由来構造単位を含むオレフィン系重合体であり、より好ましくはプロピレン系重合体であり、その詳細は後述する。
強化繊維(C)としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、金属繊維等の高強度、高弾性率繊維を使用できる。これらは1種又は2種以上を併用してもよい。中でも、炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、力学特性の向上、軽量化の点から、PAN系、ピッチ系又はレーヨン系炭素繊維が好ましい。さらに、得られる成形品の強度と弾性率とのバランスの点から、PAN系炭素繊維が特に好ましい。また、導電性を付与した強化繊維(C)、例えば、ニッケルや銅やイッテルビウム等の金属を含む強化繊維(C)も使用できる。金属は強化繊維(C)を被覆するような形態で含まれることが好ましい。
炭素繊維において、X線光電子分光法により測定される繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度比[O/C]は、好ましくは0.05~0.5、より好ましくは0.08~0.4、特に好ましくは0.1~0.3である。表面酸素濃度比が0.05以上であると、炭素繊維表面の官能基量を確保でき、樹脂とより強固な接着を得ることができる。表面酸素濃度比の上限には特に制限はないが、炭素繊維の取扱い性、生産性のバランスの点から、0.5以下が一般的に好ましい。
炭素繊維の表面酸素濃度比[O/C]は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求めることができる。まず、炭素繊維表面に付着しているサイジング剤等を溶剤で除去した炭素繊維束を20mmにカットする。これを銅製の試料支持台に拡げて並べ、X線源としてA1Kα1、2を用い、試料チャンバー中を1×108Torrに保つ。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sの主ピークの運動エネルギー値(K.E.)を1202eVに合わせる。そして、K.E.として1191~1205eVの範囲で直線のベースラインを引くことによりC1sピーク面積を求める。また、K.E.として947~959eVの範囲で直線のベースラインを引くことによりO1sピーク面積を求める。このO1sピーク面積及びC1sピーク面積の比と装置固有の感度補正値を用いて、原子数比として表面酸素濃度比[O/C]を算出する。X線光電子分光法装置としては、国際電気社製モデルES-200を用い、感度補正値を1.74とする。
表面酸素濃度比[O/C]を0.05~0.5に制御する方法は、特に限定されない。例えば、電解酸化処理、薬液酸化処理及び気相酸化処理等の方法により制御できる。中でも電解酸化処理が好ましい。
強化繊維(C)の平均繊維径は特に限定されないが、得られる成形品の力学特性と表面外観の点から、好ましくは1~20μm、より好ましくは3~15μmである。強化繊維束の単糸数は特に制限されないが、通常は100~350,000本、好ましくは1,000~250,000本、より好ましくは5,000~220,000本である。さらに、本発明では後述するプロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)を用いるので、繊維数40,000以上の繊維束(ラージトウ)にも優れた効果を示すことも期待される。
強化繊維(C)は、特定の成分を含む樹脂によってサイジング処理し、強化繊維束として用いることが好ましい。サイジング処理に用いられる樹脂は、炭素原子数2~20のオレフィン単位を含むポリオレフィンであり、プロピレンから導かれる構成単位が好ましくは50モル%以上であるプロピレン系樹脂(A)と重合体鎖に結合したカルボン酸塩を少なくとも含むプロピレン系樹脂(B)を含むことが好ましい。
プロピレン系樹脂(A)は、重量平均分子量が5万を超える成分(A-1)[以下「プロピレン系樹脂成分(A-1)」ともいう]と重量平均分子量が10万以下の成分(A-2)[以下「プロピレン系樹脂成分(A-2)」ともいう]を含むことが好ましい(分子量は成分(A-1)>成分(A-2)である。)。プロピレン系樹脂成分(A-1)の重量平均分子量範囲は、好ましくは7万以上、より好ましくは10万以上である。プロピレン系樹脂成分(A-1)の重量平均分子量の上限値は特に限定されないが、成形時の溶融流動性や成形体の外観の点から、好ましくは70万、より好ましくは50万、特に好ましくは45万、最も好ましくは40万である。一方、プロピレン系樹脂成分(A-2)の重量平均分子量の範囲は、好ましくは5万以下、より好ましくは4万以下である。プロピレン系樹脂成分(A-2)の重量平均分子量の下限値は、強化繊維束の強度や取扱い性(ベタ付き等)の点から、好ましくは10,000、より好ましくは15,000、特に好ましくは20,000、最も好ましくは25,000である。
プロピレン系樹脂(A)は、好ましくは成分(A-1)を60質量%を超え、100質量%以下、成分(A-2)を0質量%以上40質量%未満の割合で含み、より好ましくは成分(A-1)を70~100質量%、成分(A-2)を0~30質量%の割合で含み、特に好ましくは成分(A-1)を73~100質量%、成分(A-2)を0~27質量%の割合で含む(但し、成分(A-1)と成分(A-2)との合計が100質量%とする。)。
プロピレン系樹脂成分(A-1)の重量平均分子量と、プロピレン系樹脂成分(A-2)との重量平均分子量との差は、好ましくは2万~30万、より好ましくは3万~20万、特に好ましくは3万5,000~20万である。
プロピレン系樹脂(A)は、重量平均分子量が高いプロピレン系樹脂成分(A-1)が比較的多く含まれるので、強化繊維束に用いるプロピレン系樹脂(A)の量が比較的少なくても、毛羽立ちの問題や、衝撃等の要因による崩壊、剥がれ、折れ等の形状変化の問題や、それらに起因する微粉の発生の問題が生じにくい傾向にある。
プロピレン系樹脂(A)はプロピレン由来の構造単位を有する樹脂であり、通常はプロピレンの重合体である。特に、プロピレン由来の構造単位と共に、α-オレフィン、共役ジエン、非共役ジエン等から選ばれる少なくとも一種のオレフィン(プロピレンを除く)やポリエン由来の構造単位が含まれる共重合体である。
α-オレフィンの具体例としては、エチレン、1-ブテン、3-メチル-1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、4-メチル-1-ヘキセン、4,4ジメチル-1-ヘキセン、1-ノネン、1-オクテン、1-ヘプテン、1-ヘキセン、1-デセン、1-ウンデセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン等のプロピレンを除く炭素原子数2~20のα-オレフィンが挙げられる。中でも1-ブテン、エチレン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセンが好ましく、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテンが特に好ましい。
共役ジエン及び非共役ジエンの具体例としては、ブタジエン、エチリデンノルボルネン、ジシクロペンタジエン、1,5-ヘキサジエンが挙げられる。
以上のα-オレフィン、共役ジエン及び非共役ジエンは、2種以上を併用しても良い。
プロピレン系樹脂(A)は、プロピレンと前記のオレフィンやポリエン化合物とのランダム又はブロック共重合体であることが好ましい。本発明の目的を損なわない範囲内であれば、プロピレン系樹脂(A)と共に他のオレフィン系重合体を併用することも出来る。他のオレフィン系重合体としては、例えば、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・1-ブテン共重合体、エチレン・プロピレン・1-ブテン共重合体が好ましい。
プロピレン系樹脂(A)のプロピレン由来の構成単位の割合は、後述するプロピレン系樹脂(B)やマトリックス樹脂との親和性を高める点から、好ましくは50~100モル%、より好ましくは50~99モル%、特に好ましくは55~98モル%、最も好ましくは60~97モル%である。
プロピレン系樹脂(A)における単量体繰り返し単位の同定には、一般に13C NMR法が用いられる。質量分析及び元素分析が用いられることもある。また、NMR法で組成を決定した組成の異なる複数種の共重合体のIR分析を行い、特定波数の吸収や検体の厚さ等の情報から検量線を作製して組成を決定する方法を用いることも出来る。IR法は、工程分析等に好ましく用いられる。
プロピレン系樹脂(A)は、そのショアA硬度が60~90であるか、又はショアD硬度が45~65であることが好ましい。ショアA硬度は、より好ましくは65~88であり、特に好ましくは70~85である。ショアD硬度は、より好ましくは48~63であり、特に好ましくは50~60である。プロピレン系樹脂(A)のショアA硬度又はショアD硬度がこれらの範囲内であると、強化繊維(C)への追従性が良く、部分的な割れ等が発生し難く、安定した形状の強化繊維束を形成し易い。また後述するマトリックス樹脂と組み合わせた組成物の強度を高める上で有利な傾向がある。これはプロピレン系樹脂(A)とマトリックス樹脂が、良好な分子鎖の絡み合い構造を取るためと推測される。
プロピレン系樹脂(A)は、カルボン酸基やカルボン酸エステル基等を含む化合物で変性されていても良いし、未変性体であっても良い。プロピレン系樹脂(A)が変性体である場合、その変性量は-C(=O)-O-で表される基換算で、好ましくは2.0ミリモル当量未満、より好ましくは1.0ミリモル当量以下、特に好ましくは0.5ミリモル当量以下である。また、プロピレン系樹脂(A)が変性体である場合、好ましくはプロピレン系樹脂成分(A―2)が変性体である。
一方、用いる用途によってプロピレン系樹脂(A)は、実質的に未変性体であることが好ましい場合もある。ここで、実質的に未変性とは、望ましくは全く変性されていないことであるが、変性されたとしても、その変性量が-C(=O)-O-で表される基換算で好ましくは0.05ミリモル当量未満、より好ましくは0.01ミリモル当量以下、特に好ましくは0.001ミリモル当量以下、最も好ましくは0.0001ミリモル当量以下である。
プロピレン系樹脂(A)の融点もしくはガラス転移温度は0~165℃である。融点を示さない樹脂を用いる場合もある。
プロピレン系樹脂(B)は、重合体鎖に結合したカルボン酸塩を少なくとも含むプロピレン系樹脂である。このカルボン酸塩は、強化繊維(C)との相互作用を高める点で効果的である。
プロピレン系樹脂(B)の原料のうち、プロピレン系重合体としては、例えば、プロピレン単独重合体;エチレン・プロピレン共重合体、プロピレン・1-ブテン共重合体、エチレン・プロピレン・1-ブテン共重合体で代表される、プロピレンとα-オレフィンの単独又は2種類以上との共重合体が挙げられる。原料のうち、カルボン酸構造を有する単量体としては、例えば、中和されている又は中和されていないカルボン酸基を有する単量体、ケン化されている又はケン化されていないカルボン酸エステルを有する単量体が挙げられる。このようなプロピレン系重合体とカルボン酸構造を有する単量体とをラジカルグラフト重合するのが、プロピレン系樹脂(B)を製造する代表的な方法である。プロピレン系重合体に用いられるオレフィンの具体例は、プロピレン系樹脂(A)に用いられるオレフィンと同様である。
特殊な触媒を用いることにより、プロピレンとカルボン酸エステルを有する単量体とを直接重合してプロピレン系樹脂(B)を得たり、エチレンが多く含まれる重合体であればエチレン及びプロピレンとカルボン酸構造を有する単量体とを高圧ラジカル重合してプロピレン系樹脂(B)を得たりすることが出来る可能性もある。
中和されている又は中和されていないカルボン酸基を有する単量体、及びケン化されている又はケン化されていないカルボン酸エステル基を有する単量体としては、例えば、エチレン系不飽和カルボン酸、その無水物、そのエステル;オレフィン以外の不飽和ビニル基を有する化合物が挙げられる。
エチレン系不飽和カルボン酸の具体例としては、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、フマール酸、テトラヒドロフタル酸、イタコン酸、シトラコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸が挙げられる。無水物の具体例としては、ナジック酸TM(エンドシス-ビシクロ[2.2.1]ヘプト-5-エン-2,3-ジカルボン酸)、無水マレイン酸、無水シトラコン酸が挙げられる。
オレフィン以外の不飽和ビニル基を有する単量体の具体例としては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、i-ブチル(メタ)アクリレート、tert-ブチル(メタ)アクリレート、n-アミル(メタ)アクリレート、イソアミル(メタ)アクリレート、n-ヘキシル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、オクタデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ラウロイル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、イソボロニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル類、ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチルアクリレート、ラクトン変性ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピルアクリレート等の水酸基含有ビニル類、グリシジル(メタ)アクリレート、メチルグリシジル(メタ)アクリレート等のエポキシ基含有ビニル類、ビニルイソシアナート、イソプロペニルイソシアナート等のイソシアナート基含有ビニル類、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、t-ブチルスチレン等の芳香族ビニル類、アクリルアミド、メタクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド、N-メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、マレイン酸アミド等のアミド類、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル類、N、N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N、N-ジエチルアミノエチル(メタアクリレート、N,N-ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N、N-ジプロピルアミノエチル(メタ)アクリレート、N、N-ジブチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N、N-ジヒドロキシエチルアミノエチル(メタ)アクリレート等のアミノアルキル(メタ)アクリレート類、スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸ソーダ、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸等の不飽和スルホン酸類、モノ(2-メタクリロイロキシエチル)アシッドホスフェート、モノ(2-アクリロイロキシエチル)アシッドホスフェート等の不飽和リン酸類等が挙げられる。
以上の単量体は2種類以上を併用しても良い。中でも、酸無水物類が好ましく、無水マレイン酸がより好ましい。
プロピレン系樹脂(B)は、先に述べたように種々の方法で得ることができる。より具体的には、例えば、有機溶剤中でプロピレン系重合体と不飽和ビニル基を有するエチレン系不飽和カルボン酸又はオレフィン以外の不飽和ビニル基を有する単量体とを重合開始剤の存在下で反応させ、その後脱溶剤する方法;プロピレン系重合体を加熱溶融して得た溶融物に不飽和ビニル基を有するカルボン酸と重合開始剤とを攪拌下で反応させる方法;プロピレン系重合体と不飽和ビニル基を有するカルボン酸と重合開始剤との混合物を押出機に供給して加熱混練しながら反応させ、その後中和やけん化等の方法でカルボン酸塩とする方法;が挙げられる。
重合開始剤の具体例としては、ベンゾイルパーオキサイド、ジクロルベンゾイルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジ-tert-ブチルパーオキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ジ(ペルオキシベンゾエート)ヘキシン-3、1,4-ビス(tert-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン等の各種パーオキサイド化合物が挙げられる。また、アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ化合物を用いても良い。重合開始剤は2種以上を併用しても良い。
有機溶剤の具体例としては、キシレン、トルエン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、イソオクタン、イソデカン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン、シクロヘキセン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン等の脂環式炭化水素;酢酸エチル、n-酢酸ブチル、セロソルブアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、3メトキシブチルアセテート等のエステル系溶媒;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン;が挙げられる。2種以上の有機溶剤の混合物を用いても良い。中でも、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素及び脂環式炭化水素が好ましく、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素がより好ましい。
中和又はケン化工程を経てプロピレン系樹脂(B)を得る方法は、プロピレン系樹脂(B)の原料を水分散体にして処理することが容易となるので、実用的に好ましい方法である。
水分散体の中和又はケン化に用いる塩基性物質の具体例としては、ナトリウム、カリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属又はその他金属類;ヒドロキシルアミン、水酸化アンモニウム等の無機アミン;アンモニア、(トリ)メチルアミン、(トリ)エタノールアミン、(トリ)エチルアミン、ジメチルエタノールアミン、モルフォリン等の有機アミン;酸化ナトリウム、過酸化ナトリウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属又はその他金属類の酸化物、水酸化物、水素化物;炭酸ナトリウム等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属又はその他金属類の弱酸塩;が挙げられる。塩基物質により中和又はケン化されたカルボン酸塩又はカルボン酸エステル基としては、カルボン酸ナトリウム、カルボン酸カリウム等のカルボン酸アルカリ金属塩;カルボン酸アンモニウムが好適である。
中和度又はけん化度、すなわちプロピレン系樹脂(B)の原料が有するカルボン酸基の金属塩やアンモニウム塩等のカルボン酸塩への転化率は、水分散体の安定性と繊維との接着性の点から、通常50~100%、好ましくは70~100%、より好ましくは85~100%である。プロピレン系樹脂(B)におけるカルボン酸基は、塩基物質によりすべて中和又はケン化されていることが好ましいが、カルボン酸基の一部が中和又はケン化されずに残存していても良い。
カルボン酸基の塩成分を分析する手法としては、例えば、ICP発光分析で塩を形成している金属種の検出を行う方法、IR、NMR、質量分析又は元素分析等を用いて酸基の塩の構造を同定する方法がある。
カルボン酸基の中和塩への転化率を算出する方法としては、例えば、加熱トルエン中にプロピレン系樹脂(B)を溶解し、0.1規定の水酸化カリウム-エタノール標準液で滴定し、プロピレン系樹脂(B)の酸価を下式より求め、元のカルボン酸基の総モル数と比較して算出する方法がある。
酸価=(5.611×A×F)/B(mgKOH/g)
A:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液使用量(ml)
F:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液のファクター
B:試料採取量(g)
酸価=(5.611×A×F)/B(mgKOH/g)
A:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液使用量(ml)
F:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液のファクター
B:試料採取量(g)
次に、以上の方法で算出した酸価を下式を用いて中和されていないカルボン酸基のモル数に換算する。
中和されていないカルボン酸基のモル数=酸価×1000/56(モル/g)
中和されていないカルボン酸基のモル数=酸価×1000/56(モル/g)
そして、別途IR、NMR及び元素分析等を用いてカルボン酸基のカルボニル炭素の定量をおこなって算出したカルボン酸基の総モル数(モル/g)を用いて、下式よりカルボン酸基の中和塩への転化率を算出する。
転化率%=(1-r)×100(%)
r:中和されていないカルボン酸基のモル数/カルボン酸基の総モル数
転化率%=(1-r)×100(%)
r:中和されていないカルボン酸基のモル数/カルボン酸基の総モル数
強化繊維(C)との相互作用を高める点から、プロピレン系樹脂(B)の重合体鎖に結合したカルボン酸塩の含有量は、プロピレン系樹脂(B)1g当たり、-C(=O)-O-で表される基換算で総量0.05~5ミリモル当量であることが好ましい。より好ましくは0.1~4ミリモル当量、特に好ましくは0.3~3ミリモル当量である。上記のようなカルボン酸塩の含有量を分析する手法としては、ICP発光分析で塩を形成している金属種の検出を定量的に行う方法、IR、NMR又は元素分析等を用いてカルボン酸塩のカルボニル炭素の定量をおこなう方法が挙げられる。カルボン酸骨格の含有率のより具体的な測定方法は以下の方法を例示できる。試料を100MHz以上、120℃以上の高温溶液条件で、13C NMR法によりカルボン酸骨格の含有率を常法により特定することが出来る。また、カルボニル骨格の含有率の異なる複数の試料を前記13CNMRで測定してカルボン酸骨格の含有率を特定した後、同じ試料のIR測定を行い、カルボニル等の特徴的な吸収と試料厚みや他の代表的な吸収との比とカルボン酸骨格の含有率との検量線を作成することで、IR測定により、カルボン酸骨格の導入率を特定する方法も知られている。
プロピレン系樹脂(B)のカルボン酸基の含有率は、別の方法として、例えば、酸価で評価することも出来る。プロピレン系樹脂(B)の酸価の範囲は好ましくは10~100mg-KOH/g、より好ましくは20~80mg-KOH/g、特に好ましくは25~70mg-KOH/g、最も好ましくは25~65mg-KOH/gである。
本発明においては、プロピレン系樹脂(A)の重量平均分子量がプロピレン系樹脂(B)の重量平均分子量より高いことが好ましい。これにより、成形時にプロピレン系樹脂(B)が移動し易く、強化繊維(C)とプロピレン系樹脂(B)との相互作用が強くなることが期待される。この場合、プロピレン系樹脂(A)の重量平均分子量とプロピレン系樹脂(B)の重量平均分子量の差は、好ましくは1万~38万、より好ましくは12万~38万、特に好ましくは13万~38万である。
プロピレン系樹脂(B)の重量平均分子量は、上記相互作用の点、及び、プロピレン系樹脂(A)との相溶性、好ましくはプロピレン系樹脂(A-2)との相溶性の点から、好ましくは1,000~10万、より好ましくは2,000~8万、特に好ましくは5,000~5万、最も好ましくは5,000~3万である。
本発明における重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって決定される。
プロピレン系樹脂(B)のメルトフローレート(ASTM1238規格、230℃、2.16kg荷重)は、好ましくは3~500g/10分である。下限値は、より好ましくは5g/10分、特に好ましくは7g/10分である。上限値は、より好ましくは400g/10分、特に好ましくは350g/10分である。
好ましいメルトフローレート範囲は、ASTM1238規格、190℃、2.16kg荷重での測定値が上記と同様の数値範囲の場合もある。
強化繊維束におけるプロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)の割合は、プロピレン系樹脂(A)100質量部に対して、プロピレン系樹脂(B)が3~50質量部、好ましくは3~45質量部、より好ましくは5~45質量部、特に好ましくは7~40質量部である。この範囲内であれば、プロピレン系樹脂(A)に由来する強度や形状等に関係する特性と、強化繊維(C)との親和性とを高いレベルで両立させることが可能となる。プロピレン系樹脂(B)が3質量部より少なくなると、強化繊維(C)との親和性が低下し、接着特性に劣る可能性がある。またプロピレン系樹脂(B)が50質量部よりも多くなると、混合物自体の強度が低下したり、毛羽が増大したりする場合があり、強固な接着特性を維持出来ない可能性がある。
強化繊維束に用いられるプロピレン系樹脂(A)及び(B)の分子量や含有率を先に説明した範囲内にすることで、プロピレン系樹脂(A)及び(B)が効果的に強化繊維(C)及びマトリックス樹脂と相互作用を奏し、相溶性が比較的高くなり、接着性を向上させることが期待される。
強化繊維束には、プロピレン系樹脂(A)、プロピレン系樹脂(B)の他に、本発明の効果を損なわない範囲で他の成分を併用しても構わない。例えば、プロピレン系樹脂をエマルション状態として強化繊維束に付与する場合は、エマルションを安定化させる界面活性剤等を加えていても構わない。このような他の成分は、プロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)の合計100質量%に対して、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、特に好ましくは2質量%以下である。
プロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)の合計の含有率は、強化繊維束全体100質量%中、0.3~5質量%であるであることもまた好ましい。プロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)の合計の含有率が0.3質量%未満の場合は、強化繊維がむき出しの部分が多数存在することがあり、これにより得られる製品の強度が低下したり、強化繊維束の取り扱い性が不十分となったりする場合がある。ここでいう取り扱い性とは例えば、繊維束をボビンに巻き取る際の繊維束の硬さやさばけ易さである。また、繊維束をカットしてチョップド繊維束として使用する場合には、チョップド繊維束の集束性のことをいう。一方、この含有率が5質量%を超えると、成形体の力学特性が極端に低下したり、繊維束が極端に硬くなり、ボビンに巻けなくなったりする等の不具合を生じる場合がある。この含有率の下限値は、接着性と強化繊維束の取り扱い性とのバランスの点から、好ましくは0.4質量%である。一方、上限値は、好ましくは4質量%、より好ましくは3質量%である。
プロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)の混合物を強化繊維(C)に付着させる方法については、例えば、上記混合物をそのままもしくは耐熱安定剤を併用して溶融させて強化繊維(C)と接触させる方法や、上記混合物をエマルションやサスペンション状態で強化繊維(C)と接触させる方法が挙げられる。接触工程の後に、熱処理等を行っても良い。
均一に単繊維間に付着させやすい点から、プロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)の混合物のエマルションを強化繊維(C)に付与し、乾燥させる方法が好ましい。強化繊維(C)にエマルションを付与する方法としては、ローラー浸漬法、ローラー転写法、スプレー法等の公知の方法を用いることができる。
エマルションは公知の方法で製造することが出来る。その具体的な製造方法は、例えば、国際公開第2007/125924号パンフレット、国際公開第2008/096682号パンフレット、特開2008-144146号公報に記載されている。
前述の毛羽立ち等の原因による繊維束の解れ易さを特定する方法として、例えば、特許5584977号公報に記載の方法や特開2015-165055号公報に記載の集束性の評価方法が知られている。本明細書の実施例では前者で評価する。後者については、具体的には、以下のような方法である。
強化繊維束をステンレス製のハサミを用いて5mm程度の短繊維に裁断する。得られた短繊維を以下の目視判定で評価する。
○:短繊維が裁断前とほぼ同じ状態を保っている。
×:短繊維が大きくばらけたり、割れが生じている 。
×:短繊維が大きくばらけたり、割れが生じている 。
強化繊維束を形成する単繊維は、より強い接着性を発揮するために、単繊維表面の好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上、特に好ましくは80%以上がプロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)を含む混合物で被覆されている。被覆されていない部分は接着性を発揮することができず、剥離の起点となり、全体の接着性を下げてしまうことがある。被覆状態は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)又は繊維表面の元素分析でカルボン酸塩の金属元素をトレースする方法により評価できる。
本発明に用いるマトリックス樹脂としては、極性の低い点からポリオレフィン系樹脂が好ましく、コストや成形体の軽量化の点からエチレン系重合体やプロピレン系重合体がより好ましく、プロピレン系樹脂(D)が特に好ましい。
プロピレン系樹脂(D)は、未変性のプロピレン系樹脂であっても良いし、変性等の方法でカルボン酸構造やカルボン酸塩構造を含むプロピレン系樹脂を含んでいても良い。好ましくは後者の変性プロピレン系樹脂を含む態様である。未変性樹脂とカルボン酸やカルボン酸塩構造を含むプロピレン系樹脂の両方を用いる場合、その好ましい重量比は、未変性体/変性体比で、80/20~99/1であり、より好ましくは89/11~99/1であり、特に好ましくは89/11~93/7であり、最も好ましくは、90/10~95/5である。プロピレン系樹脂(D)の組成としては、プロピレン系樹脂(A)やプロピレン系樹脂(B)の説明で記載した単量体(オレフィンやカルボン酸エステル化合物等)由来の構造単位を含む一般的なプロピレン樹脂が好ましい態様である。例えば、ホモポリプロピレン、ランダムポリプロピレン、ブロックポリプロピレン、変性ポリプロピレンと言われるプロピレン重合体である。
プロピレン系樹脂(D)の重量平均分子量Mw(D)は、プロピレン系樹脂(A)の重量平均分子量Mw(A)及びプロピレン系樹脂(B)の重量平均分子量Mw(B)と、以下の関係を満たすことが好ましい。
Mw(A)>Mw(D)>Mw(B)
Mw(A)>Mw(D)>Mw(B)
プロピレン系樹脂(D)の重量平均分子量は、好ましくは5万~35万、より好ましくは10万~33万、特に好ましくは15万~32万である。またプロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(D)との分子量の差は、好ましくは1万~40万、より好ましくは2万~20万、さらに好ましくは2万~10万である。
繊維強化樹脂組成物は、強化繊維束を25~75質量%、好ましくは30~68質量部、より好ましくは35~65質量部含んでいる。一方、プロピレン系樹脂(D)は75~25質量部、好ましくは70~32質量部、より好ましくは65~35質量部含まれる。但し、強化繊維束(成分(A)、成分(B)及び成分(C))とプロピレン系樹脂(D)の合計を100質量部とした時の値である。
プロピレン系樹脂(D)は、強化繊維(C)、プロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)を含む強化繊維束の周りに接着するような態様になっていることが好ましい。
プロピレン系樹脂(D)は、未変性プロピレン系樹脂と酸変性プロピレン系樹脂を含むことが好ましい。特に、比較的多くの変性プロピレン系樹脂を含むので、後述するレーザー融着法を用いても強化繊維と樹脂との間の構造が変化し難い傾向がある。これは、強化繊維近傍での変性オレフィン重合体(A-2)が破壊されたとしても、プロピレン系樹脂(D)の変性樹脂成分が補完する為ではないかと推測される。
プロピレン系樹脂(D)は、公知の方法で製造することが出来、その樹脂(重合体)の立体規則性はイソタクチックであってもシンジオタクチックであってもアタクチックであっても良い。立体規則性は、イソタクチックもしくはシンジオタクチックであることが好ましい。
プロピレン系樹脂(D)(特に未変性の樹脂)の具体的な製造方法は、例えば、国際公開第2004/087775号パンフレット、国際公開第2006/057361号パンフレット、国際公開第2006/123759号パンフレット、特開2007-308667号公報、国際公開第2005/103141号パンフレット、特許4675629号公報、国際公開第2014/050817号パンフレット、特開2013-237861号公報に記載されている。
繊維強化樹脂組成物中の強化繊維(C)と重合体(I)(成分(A)、成分(B)及び成分(D)の合計)との質量比率は80/20~20/80、好ましくは75/25~30/70、より好ましくは70/30~35/65、特に好ましくは65/35~40/60、最も好ましくは60/40~40~60である(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100とする)。強化繊維(C)の量が多すぎると、後述するテープワインディング成形体にテープ剥離が起こり易くなることがある。一方で、重合体(I)の量が多すぎると後述するテープワインディング成形体の強度が低下することがある。
重合体(I)の融点もしくはガラス転移温度は50~300℃である。下限値については、好ましくは70℃以上、より好ましくは80℃以上である。一方で、上限値については、好ましくは280℃以下、より好ましくは270℃以下、特に好ましくは260℃以下である。また、融点がこれら温度範囲内であることが好ましく、融点は250℃以下であることがより好ましく、240℃以下であることが特に好ましい。
重合体(I)には、カルボン酸基が含まれていることが好ましい。繊維強化樹脂組成物の強化繊維(C)と重合体(I)の合計を100質量%として、カルボン酸基を含む構造単位の含有率は0.010~0.045質量%、好ましくは0.012~0.040質量%、特に好ましくは0.015~0.035質量%である。カルボン酸基を含む構造単位の含有率が低過ぎると、後述するテープワインディング成形体にテープ剥離が起こり易くなることがある。カルボン酸基を含む構造単位としては、例えば、プロピレン系樹脂(A)、プロピレン系樹脂(B)、プロピレン系樹脂(D)に含まれるカルボン酸基由来の構造単位やカルボン酸塩由来の構造単位が挙げられる。
重合体(I)にカルボン酸基が含まれている場合、その含有率を酸価で把握することも可能である。好ましい酸価は、0.1~0.55mg-KOH/g、より好ましくは0.12~0.45mg-KOH/g、特に好ましくは0.13~0.40mg-KOH/gである。
重合体(I)のメルトフローレート(ASTM1238規格、230℃、2.16kg荷重)は、好ましくは1~500g/10分、より好ましくは3~300g/10分、特に好ましくは5~100g/10分である。重合体(I)の重量平均分子量は、好ましくは5万~40万、より好ましくは10万~37万、特に好ましくは15万~35万である。
また本発明においては、ブテン系樹脂と、重合体鎖に結合したカルボン酸塩を少なくとも含むオレフィン系樹脂と、強化繊維(C)とを含む強化繊維束を使用することも好ましい態様の一つである。
この態様において、ブテン系樹脂のASTM1238規格に準じ、190℃、2.16kg荷重の条件で決定されるメルトフローレート(MFR)は、好ましくは0.01~20g/10分である。MFRの下限値は、より好ましくは0.05g/10分、特に好ましくは0.07g/10分である。上限値は、より好ましくは15g/10分、特に好ましくは12g/10分、最も好ましくは10g/10分である。また、ブテン系樹脂のMFRは、オレフィン系樹脂のMFRよりも小さいことが好ましい。ブテン系樹脂のGPCで測定した重量平均分子量(Mw)は、好ましくは5万を超え100万未満である。より好ましくはMwが15万を超える成分が70質量%を超え100質量%以下であり、より好ましくはMwが15万を超える成分が73~100質量%である。分子量が高い成分が多いと、溶融後の冷却過程での硬化速度が遅いので好適であると考えられる。また、ブテン系樹脂のMwはオレフィン系樹脂のMwよりも大きいことが好ましい。ブテン系樹脂のMwとオレフィン系樹脂のMwの差は、好ましくは1万~38万、より好ましくは12万~38万、特に好ましくは13万~38万である。
この態様において、強化繊維束中のブテン系樹脂100質量部に対するオレフィン系樹脂の含有量は、好ましくは3~50質量部、より好ましくは5~45重量部、特に好ましくは7~40重量部である。強化繊維束中のブテン系樹脂とオレフィン系樹脂の合計含有率は、好ましくは0.3~5質量%、より好ましくは0.4~5質量%、特に好ましくは0.5~4質量%、最も好ましくは0.5~3質量%である。
この態様における強化繊維束は、毛羽立ち形状や、例えばその衝撃等の環境要因による崩壊、剥がれ、折れ等の形状変化、また、それらに起因する微粉などの形状変化を起し難い傾向がある。これは、比較的高い分子量のポリプロピレン樹脂が比較的多く含まれ、その分子鎖の絡み合い等の効果により、先の問題を抑制していると推測される。特にフィラメント数の多い繊維の場合、毛羽立ちが起こり易い傾向があることが本願発明の検討において見出され、ブテン系樹脂(A)を用いる効果は、フィラメント数が多い態様において、より有効に機能する場合が多い傾向にある。
この態様におけるブテン系樹脂とは、ブテン由来の構造単位を50モル%を超える割合で有する樹脂であり、ブテン以外のモノマー由来の構造単位を有していても良い。ブテン由来の構造単位の割合は、マトリックス樹脂との親和性や、ブテン系樹脂と混合するカルボン酸塩を少なくとも含むオレフィン系樹脂との親和性の点から、好ましくは55モル%以上、より好ましくは60モル%以上、特に好ましくは70モル%以上、最も好ましくは90モル%以上である。一方、比較的柔らかいブテン系樹脂が求められる場合は、ランダム又はブロック共重合体であることが好ましい。この場合のブテン由来の構造単位の割合は、好ましくは50~90モル%、より好ましくは70~90モル%、特に好ましくは75~85モル%である。ブテン以外のモノマー(共重合性モノマー)としては、例えば、ブテン以外のα-オレフィン、共役ジエン、非共役ジエンが挙げられる。これら共重合性モノマーは2種以上を併用しても良い。α-オレフィンの具体例としては、エチレン、プロピレン、3-メチル-1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、4-メチル-1-ヘキセン、4,4ジメチル-1-ヘキセン、1-ノネン、1-オクテン、1-ヘプテン、1-ヘキセン、1-デセン、1-ウンデセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン等のブテンを除く炭素数2~20のα-オレフィンが挙げられる。中でも、プロピレン、エチレン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセンが好ましく、エチレン、プロピレン、4メチル-1-ペンテンがより好ましい。共役ジエン及び非共役ジエンの具体例としては、ブタジエン、エチリデンノルボルネン、ジシクロペンタジエン、1,5-ヘキサジエンが挙げられる。
この態様において、ブテン系樹脂の硬度や変性量の好適な範囲については、先に説明したプロピレン系樹脂(A)と同様である。ただし、ブテン系樹脂が変性体であることが好ましい場合が多い。
この態様において、ブテン系樹脂と混合するカルボン酸塩を少なくとも含むオレフィン系樹脂は、好ましくは先に説明した重合体鎖に結合したカルボン酸塩を少なくとも含むプロピレン系樹脂(B)である。
本発明に用いる繊維強化樹脂組成物は、波長が300~3000nmの光を吸収する色素(II)を含んでいても良い。このような色素としては、公知の物を制限なく用いることが出来るが、好ましくはカーボン系の色素、より好ましくはカーボンブラックである。
繊維強化樹脂組成物中の色素(II)の量は、0.01~5質量部である(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)。下限値については、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.2質量部以上である。一方、上限値については、好ましくは3質量部以下、より好ましくは2質量部以下である。
繊維強化樹脂組成物に色素(II)が含まれることにより、後述するレーザーによる局部発熱を抑制し、樹脂組成物全体をより均一に加熱させ易いことが期待される。これにより、マトリックス樹脂の劣化や変形、より具体的には繊維の表面飛び出し、表面の平滑性や外観の低下を抑制することが出来る。また、樹脂被膜は、色素(II)の含有率の異なる複数の層を持つ多層構造であっても良く、色素(II)を含まない層を含む多層構造であっても良い。
繊維強化樹脂組成物を含む層(以下、「繊維強化樹脂組成物層」ともいう。)は、強化繊維(C)が一方向に配向していることが好ましい。繊維強化樹脂組成物層の成形方法としては、例えば、開繊された強化繊維束を引き揃えた後、溶融したマトリックス樹脂と接触させることにより、強化繊維(C)が一方向に配向した繊維強化樹脂成形体(一方向性材)を得る方法が挙げられる。一方向性材はそのまま使用することもできるし、複数積層して一体化することにより積層体を作製してそれを使用することもできる。また、適宜切断して、テープ形状にすることも出来る。
本発明においては、以上説明した炭素繊維強化樹脂テープなどの層を金属部材に積層する前に、金属部材の表面に樹脂被膜を形成する。そして、この樹脂被膜上に炭素繊維強化樹脂テープなどの層を、テーププレースメント法、テープワインディング法等の積層方法により積層する。本発明においては、金属部材の表面を「下地」と言う場合が有り、樹脂被膜を形成する工程を「下地処理」と言う場合がある。
本発明においては、繊維強化樹脂組成物層をレーザー融着法により積層することが好ましい。レーザー融着法を用いれば、繊維強化樹脂組成物層に巻ズレ、弛み、構造欠陥等の問題が生じにくく、製造工程が比較的簡単で且つ短時間である。例えば、繊維強化樹脂組成物を公知の方法でテープ形状に加工し、これをレーザー融着法を併用したテーププレースメント法又はテープワインディング法でテープ表面を溶融させながら、下地処理した金属部材表面に接触させつつ、融着する方法が挙げられる。テーププレースメント法及びテープワインディング法の例は、例えば、特開2005-206847号公報(例えば図8)、米国特許第6451152号に開示されている。テーププレースメント法の場合、例えば、AFPT社(ドイツ)のホームページ(https://www.afpt.de/welcome/)に開示されているような、ロボットアームに光源としてレーザー照射部が取り付けられている装置を用いて成形する方法がある。その他には、17th-Europian conference on Composite Materials, 1~8(2016)で発表された”Development of a hybrid tail rotor drive shaft by the use of thermoplastic Automated fiber placement” や、”Selective reinforcement of steel with CF/PA6 composites in a laser tape placement process : effect of surface preparation and laser angle on interfacial bond strength”に開示された装置や方法がある。
レーザー融着を行う場合、光源やマンドレルを適宜移動させて効率よく溶融、融着させることが好ましい。その移動速度は、繊維強化樹脂組成物テープの走査速度として、10~100m/分、好ましくは30~90m/分である。
レーザーの波長は、好ましくは300~3000μmである。この波長は、強化繊維(C)や色素(II)の吸収波長領域を含むことが好ましい。レーザーの出力は、好ましくは50W~5kWである。出力が強すぎると樹脂の劣化や変形を引き起こす場合がある。一方、出力が弱すぎると樹脂の溶融が起こらない場合がある。
このような方法で得た積層体は種々の用途に利用できる。例えば、自動車のドアやハッチ、シャーシなどの構造物、パイプや圧力容器などの各種容器の外部補強部に好適に利用できる。
<樹脂被膜>
本発明に用いる樹脂被膜の種類は特に限定されないが、繊維強化樹脂組成物との親和性の点から、繊維強化組成物に用いられるプロピレン系樹脂(A)、プロピレン系樹脂(B)、マトリックス樹脂と同じ種類の樹脂又は樹脂組成物を使用することが好ましい。
本発明に用いる樹脂被膜の種類は特に限定されないが、繊維強化樹脂組成物との親和性の点から、繊維強化組成物に用いられるプロピレン系樹脂(A)、プロピレン系樹脂(B)、マトリックス樹脂と同じ種類の樹脂又は樹脂組成物を使用することが好ましい。
プロピレン系樹脂(A)を樹脂被膜に用いる場合、繊維強化樹脂組成物の場合と同様に、炭素原子数2~20のオレフィン単位を含むポリオレフィンであり、プロピレンから導かれる構成単位が好ましくは50モル%以上であるプロピレン系樹脂である。プロピレン系樹脂(B)を樹脂被膜に用いる場合も、繊維強化樹脂組成物の場合と同様に、重合体鎖に結合したカルボン酸塩を少なくとも含むプロピレン系樹脂である。マトリックス樹脂を樹脂被膜に用いる場合も、繊維強化樹脂組成物の場合の場合と同様に、特に限定されないが、好ましくはプロピレン系樹脂(D)である。
プロピレン系樹脂(A)及びプロピレン系樹脂(B)を樹脂被膜に用いる場合の好ましい構造単位、重量平均分子量、融点、ガラス転移温度;プロピレン系樹脂(A)中の成分(A-1)及び成分(A-2)の好ましい含有率や両者の重量平均分子量;プロピレン系樹脂(A)とプロピレン系樹脂(B)を併用する場合の好ましい配合比;プロピレン系樹脂(D)を樹脂被膜に用いる場合の好ましい構造単位、重量平均分子量、硬度、変性量は、繊維強化樹脂組成物の場合と同様である。
本発明に用いる樹脂被膜は、色素(II)を含まない層を有することが好ましい。より具体的には金属部材に接触する面が、色素(II)を含まない層であることが好ましい。カーボンブラック(色素(II)の一例)等の導電性粒子が金属部材表面に接触すると、電触が起こる場合があるため、直接接触しない方が好ましいからである。
一方、繊維強化樹脂組成物層を後述するレーザー融着により積層する場合、レーザー吸収性のある色素が含まれていないと、レーザーが反射してしまったり、レーザー照射により温度が上昇せず、繊維強化樹脂組成物層が融着しなかったりすることが懸念される。そこで、樹脂被膜は、レーザー融着させる面にカーボンブラック等の色素(II)を含有する層を含むことが好ましい。すなわち、樹脂被膜は、色素(II)の含有率の異なる複数の層を持つ多層構造であることが好ましい。
例えば、樹脂被膜のうち金属部材に接触する層の色素(II)の含有率は、樹脂被膜に用いる樹脂100質量%に対して、通常3質量%以下、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下、特に好ましくは0.5質量%以下である。一方、レーザー融着させる面に接触する層の色素(II)の含有率は、好ましくは4質量%以上、より好ましくは5質量%以上、特に好ましくは7質量%以上である。上限値については好ましくは40質量%、より好ましく35質量%、特に好ましくは30質量%である。
樹脂被膜の厚さは特に限定されないが、好ましくは1~100μm、より好ましくは5~50μmである。
樹脂被膜の形成方法は特に限定されず、例えばディッピング法、刷毛やローラーによる塗布法、スプレー法等の公知の方法が挙げられる。
<金属部材>
本発明に用いる金属部材の形状や厚さは特に限定されない。金属部材がどのような形状であっても、どのような厚さであっても本発明は有効である。また、繊維強化樹脂組成物層を樹脂被膜を介して積層する場合、繊維強化樹脂組成物層を金属部材の表面に対し全体的に積層しても良いし、部分的に積層しても良い。以下、本発明の態様(1)~(3)について説明する。
本発明に用いる金属部材の形状や厚さは特に限定されない。金属部材がどのような形状であっても、どのような厚さであっても本発明は有効である。また、繊維強化樹脂組成物層を樹脂被膜を介して積層する場合、繊維強化樹脂組成物層を金属部材の表面に対し全体的に積層しても良いし、部分的に積層しても良い。以下、本発明の態様(1)~(3)について説明する。
(1)繊維強化樹脂組成物層を、樹脂被膜を介して金属部材に対し部分的に積層する態様
この態様(1)は比較的薄い金属部材に対して特に有効である。この場合の金属部材の厚さは、通常0.2~1.6mm、好ましくは0.3~1.0mmである。金属部材の形状は特に限定されず、平板であっても良いし、曲板等の立体的な形状であっても良い。立体的な形状としては、例えば、ピラミッド型、ドーム型、屋根型、パイプを半割したような形状等の一般的な形状、及びこれらを組み合わせた形状がある。立体的な形状は、通常、変曲点(例えばピラミッド形状における頂点部分や稜線に当たる部分)を有する場合が多い。ただし、変曲点を有しない形状であっても良い。態様(1)は、立体的な形状の変形抑制の効果も得られるので好ましい。
この態様(1)は比較的薄い金属部材に対して特に有効である。この場合の金属部材の厚さは、通常0.2~1.6mm、好ましくは0.3~1.0mmである。金属部材の形状は特に限定されず、平板であっても良いし、曲板等の立体的な形状であっても良い。立体的な形状としては、例えば、ピラミッド型、ドーム型、屋根型、パイプを半割したような形状等の一般的な形状、及びこれらを組み合わせた形状がある。立体的な形状は、通常、変曲点(例えばピラミッド形状における頂点部分や稜線に当たる部分)を有する場合が多い。ただし、変曲点を有しない形状であっても良い。態様(1)は、立体的な形状の変形抑制の効果も得られるので好ましい。
態様(1)において、積層体の製造方法は、比較的薄い金属部材の表面に対し樹脂被膜を形成する工程と、繊維強化樹脂組成物層をレーザー融着法により樹脂被膜を介して金属部材の表面に対し部分的に積層する工程とを有することが好ましい。樹脂被膜は金属部材の少なくとも繊維強化樹脂組成物層の積層予定箇所に形成すれば良い。ただし、金属部材の表面全体に形成しても構わない。
態様(1)において、金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物を含む層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、繊維強化樹脂組成物を含む層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)は、通常5/1~50/1、好ましくは8/1~25/1である。
態様(1)において、金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する際、レーザー融着法を用い、金属部材の表面に対して部分的に積層する場合は、部分的に積層された繊維強化樹脂組成物層のみにレーザーを照射でき、金属部材の一部の箇所しか加熱されず、金属部材の温度変化が比較的少なくなると考えられる。したがって、薄い金属部材であっても、積層体製造行程中に金属部材の変形が抑制され、予想外の変形が起こること少なく、所望の形状の積層体が得られる傾向にある。
態様(1)において、繊維強化樹脂組成物層の幅(Wf)(特に繊維強化樹脂組成物層がテープ状の長さ、幅、厚みを有する態様である場合の幅)は特に限定されないが、好ましくは6~50mm、より好ましくは10~30mmである。テープを並べて貼合して、実質的にさらに太いテープ状にすることも出来る。金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の最大幅(金属部材の対応する辺)は、好ましくは30~10000mm、より好ましくは40~5000mm、特に好ましくは40~2500mmである。そして、繊維強化樹脂組成物層の幅(Wf)と、金属部材のその表面の幅(Wm)との比(Wf/Wm)は、好ましくは0.01~0.5、より好ましくは0.02~0.2である。
なお態様(1)においては、金属部材の形状が円形、楕円形など、辺が不明の形状の場合は全周の1/4を辺の長さと見なす。
態様(1)において、複数の繊維強化樹脂組成物層を、金属部材の表面の各々異なる位置に部分的に積層することも好ましい。また金属部材が、変曲点が存在する曲面を有する場合は、その変曲点には繊維強化樹脂組成物層を積層しないことが、変形抑制の点から好ましい。
態様(1)において、積層体は、厚さが0.2~1.6mmで、変曲点が存在する曲面を有する金属部材と、金属部材の表面に対し形成された先に説明した樹脂被膜と、この樹脂被膜を介して金属基板の表面に対し部分的に積層された先に説明した繊維強化樹脂組成物層とを有する。先に説明したとおり、金属部材の表面の全体面積(Xm)と、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)は5/1~50/1であり、好ましくは8/1~25/1である。こ積層体においては、先に説明したとおり、複数の繊維強化樹脂組成物層を、金属部材の表面の各々異なる位置に部分的に積層することが好ましい。さらに、金属部材の変曲点には繊維強化樹脂組成物層が積層されていないことが、変形抑制の点から好ましい。また、繊維強化樹脂組成物を含む層は、先に説明した製造方法に従い、レーザー融着法により積層された層であることが好ましい。
図1(A)~(J)は、そのような態様(1)の積層体の態様を示す模式的平面図である。この図に示すように、金属部材101の表面には、複数の繊維強化樹脂組成物層102の長手方向が互いに異なる方向になる種々のパターンで積層ができる。特に、複数の繊維強化樹脂組成物層102の長手方向が十字状になる態様が好ましい。十字状の態様においては、繊維強化樹脂組成物層102の影響が二軸以上の複数の方向の力となって影響を及ぼすので、ひずみが集中し難くなり、繊維強化樹脂組成物層102が金属部材101の一部にしか積層されていないにもかかわらず、優れた強度を発現する傾向にある。また、そのパターンに関しては、例えば金属部材101の曲面形状や変曲点の位置に応じて最適なパターンを適宜選択すれば良い。なお、態様(1)の積層体の製造方法においては、金属部材101の表面は曲面に限定されず、平面であっても良い。
以上説明した態様(1)において、特に好ましい積層体の製造方法及び積層体は以下の通りである。
金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する工程を有する積層体の製造方法において、
厚さが0.2~1.6mmの金属部材の表面に対し樹脂被膜を形成する工程と、
(I)融点および/またはガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層をレーザー融着法により、前記樹脂被膜を介して前記金属部材の表面に対し部分的に積層する工程とを有し、
前記金属部材の表面のうち、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1であることを特徴とする積層体の製造方法。
厚さが0.2~1.6mmの金属部材の表面に対し樹脂被膜を形成する工程と、
(I)融点および/またはガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層をレーザー融着法により、前記樹脂被膜を介して前記金属部材の表面に対し部分的に積層する工程とを有し、
前記金属部材の表面のうち、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1であることを特徴とする積層体の製造方法。
厚さが0.2~1.6mmで、変曲点が存在する曲面を有する金属部材と、
前記金属部材の表面に対し形成された樹脂被膜と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点および/またはガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び、
(II)波長が300~3000μmの光を吸収する色素0.01~5質量部
(C)強化繊維20~80質量部%
を含み、前記樹脂被膜を介して前記金属基板の表面に対し部分的に積層された繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層とを有し、
前記金属部材の表面のうち、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1であることを特徴とする積層体。
前記金属部材の表面に対し形成された樹脂被膜と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点および/またはガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び、
(II)波長が300~3000μmの光を吸収する色素0.01~5質量部
(C)強化繊維20~80質量部%
を含み、前記樹脂被膜を介して前記金属基板の表面に対し部分的に積層された繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層とを有し、
前記金属部材の表面のうち、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、前記繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1であることを特徴とする積層体。
(2)金属部材が曲面形状を有する容器基材である態様
この態様(2)は、圧力容器等の積層型容器を製造する際に特に有効である。態様(2)において、曲面形状を有する容器基材に繊維強化樹脂組成物層を積層する際、レーザー融着法を用いて積層する場合は、繊維強化樹脂組成物層に巻ズレ、弛み、構造欠陥等の問題が生じにくく、製造工程が比較的簡単で且つ短時間である。具体的には、例えば、繊維強化樹脂テープを容器基材の特に曲面部分に貼合している最中及び貼合した後においてテープがずれにくい。巻きずれが無ければテープを何層にも重ねて巻きつけることができるので、容器の強度を上げることができる。また、テープを貼合する際に容器基材の温度を上げる必要が無いので、容器基材とテープの熱膨張率の差を考慮する必要が無く、冷却後にテープが剥がれる恐れが無い。
この態様(2)は、圧力容器等の積層型容器を製造する際に特に有効である。態様(2)において、曲面形状を有する容器基材に繊維強化樹脂組成物層を積層する際、レーザー融着法を用いて積層する場合は、繊維強化樹脂組成物層に巻ズレ、弛み、構造欠陥等の問題が生じにくく、製造工程が比較的簡単で且つ短時間である。具体的には、例えば、繊維強化樹脂テープを容器基材の特に曲面部分に貼合している最中及び貼合した後においてテープがずれにくい。巻きずれが無ければテープを何層にも重ねて巻きつけることができるので、容器の強度を上げることができる。また、テープを貼合する際に容器基材の温度を上げる必要が無いので、容器基材とテープの熱膨張率の差を考慮する必要が無く、冷却後にテープが剥がれる恐れが無い。
さらに態様(2)においては、巻付けの際に有機溶媒を使用する必要が無いので、樹脂量が均一になりにくいという問題も生じない。また、繊維強化樹脂組成物のマトリックス樹脂としてオレフィン系樹脂を使用するので、熱硬化性樹脂を使用した従来法よりも耐衝撃性に優れた容器が得られる傾向にある。また、オレフィン系樹脂をレーザー融着する場合は、熱硬化性樹脂を熱硬化する場合と比較して、樹脂の構造欠陥が生じにくい。結果として、比較的厚い繊維強化樹脂組成物層を有する容器を簡単に且つ短時間で製造できる。
図4は、態様(2)の積層体(以下、「積層型容器」とも言う。)の製造方法の2つの例を示す模式図である。図4(a)においては、容器基材201を回転させながら、容器基材201の胴部分の表面に繊維強化樹脂組成物のテープ202をテープワインディング法によりフープ巻きし、この巻き付けと同時にレーザー照射装置203からレーザーを照射し、テープ202を容器基材201の表面に融着し、容器基材201の胴部分の表面に繊維強化樹脂組成物層(フープ層)を形成する。図4(b)においては、容器基材201を回転させながら、容器基材201の胴部分の表面に繊維強化樹脂組成物のテープ202をテープワインディング法によりヘリカル巻きし、この巻き付けと同時にレーザー照射装置203からレーザーを照射し、テープ202を容器基材201の表面に融着し、容器基材201の胴部分の表面に繊維強化樹脂組成物層(ヘリカル層)を形成する。
図5は、態様(2)の積層型容器の例を示す模式的断面図である。図5においては、容器基材201の胴部分の表面にフープ層204が形成され、さらにその上にヘリカル層205が形成されている。
態様(2)において、フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は特に限定されないが、好ましくは0.25~4.0、より好ましくは0.33~3.0、特に好ましくは0.5~2.0である。両厚さの比(F/H)をこれら範囲内とすることは、積層型容器の強度及び破壊モードのコントロールの点から好ましい。
以上の図4及び図5に示す例は態様(2)の積層型容器の好ましい例であるが、態様(2)はこれらに限定されない。例えば、図4では、テープワインディング法によりフープ巻き及びヘリカル巻きを行っているが、それら以外の巻き方を用いても良い。また、図5では繊維強化樹脂組成物層として、フープ層204とヘリカル層205の両方を形成しているが、どちらか一方のみを形成しても良いし、それ以外の繊維強化樹脂組成物層を有していても良い。
態様(2)において、繊維強化樹脂組成物層の厚さは、通常1000~50000μm、好ましくは2000~50000μm、より好ましくは3000~25000μm、特に好ましくは4000~10000μmである。このように繊維強化樹脂組成物層の厚さが比較的厚くても、態様(2)によれば繊維強化樹脂組成物層を問題無く形成できる。
以上説明した態様(2)において、特に好ましい積層体の製造方法及び積層体は以下の通りである。
曲面形状を有する金属製容器基材に繊維強化樹脂組成物層を積層する工程を有する積層体(すなわち積層型容器)の製造方法において、
該金属製容器基材に樹脂被膜を形成する工程と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、レーザー融着法により前記樹脂被膜を介して積層する工程と
を有することを特徴とする積層体(すなわち積層型容器)の製造方法。
該金属製容器基材に樹脂被膜を形成する工程と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、レーザー融着法により前記樹脂被膜を介して積層する工程と
を有することを特徴とする積層体(すなわち積層型容器)の製造方法。
曲面形状を有する金属製容器基材と、
該金属製容器基材の表面に位置する樹脂被膜と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点及び/又はガラス転移温度が50~250℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む厚さが1000~50000μmの繊維強化樹脂組成物層と
を有する積層体(すなわち積層型容器)。
該金属製容器基材の表面に位置する樹脂被膜と、
(I)炭素原子数2~20のオレフィン由来単位を含み、融点及び/又はガラス転移温度が50~250℃の重合体20~80質量部、及び
(C)強化繊維20~80質量部
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量部とする)を含む厚さが1000~50000μmの繊維強化樹脂組成物層と
を有する積層体(すなわち積層型容器)。
(3)金属部材が金属製回転体本体である態様
この態様(3)は、トルクコンバータ、CVTプーリーのカバー等の自動車用回転部品を製造する際に特に有効である。態様(3)においては、回転体本体が繊維強化樹脂組成物層により補強されているので、軽量化の為に回転体本体の外形を構成する金属板を薄くした場合であっても、回転体は遠心力による変形又は破損が生じにくい。しかも、樹脂被膜を形成してから繊維強化樹脂組成物層を積層するので、剥離強度や表面性状にも優れている。したがって、回転体の軽量化のみならず、例えば回転体の小型化、構造の簡素化、製造コストの低減、部品点数の削減の点においても有利である。
この態様(3)は、トルクコンバータ、CVTプーリーのカバー等の自動車用回転部品を製造する際に特に有効である。態様(3)においては、回転体本体が繊維強化樹脂組成物層により補強されているので、軽量化の為に回転体本体の外形を構成する金属板を薄くした場合であっても、回転体は遠心力による変形又は破損が生じにくい。しかも、樹脂被膜を形成してから繊維強化樹脂組成物層を積層するので、剥離強度や表面性状にも優れている。したがって、回転体の軽量化のみならず、例えば回転体の小型化、構造の簡素化、製造コストの低減、部品点数の削減の点においても有利である。
さらに態様(3)において、繊維強化樹脂組成物層をレーザー融着法により積層する場合は、繊維強化樹脂組成物層に巻ズレ、弛み、構造欠陥等の問題が生じにくく、製造工程が比較的簡単且つ短時間で、比較的厚い繊維強化樹脂組成物層を良好に積層できる。特に、巻ズレ、弛み、層厚さのバラツキ等の問題が生じると、回転体の重心位置が変動し、回転ブレが生じる恐れがある。このような問題を防止することは回転体において重要である。例えば、繊維強化樹脂のテープを回転体本体の外周面に巻付けると同時にレーザーワインディング成形等のレーザー融着法を用いて積層すれば、曲面部分にテープ貼合している最中及び貼合した後においてテープがずれにくい。また、テープを貼合する際に回転体本体の温度を上げる必要が無いので、回転体本体とテープの熱膨張率の差を考慮する必要が無く、冷却後にテープが剥がれる恐れが無い。また、回転体への貼合時の熱による変形を抑制し、得られる回転体の回転軸のズレを生じさせ難いことも期待される。また、巻付けの際に有機溶媒を使用する必要が無いので、樹脂量が均一になりにくいという問題も生じない。
図6は、態様(3)の回転体の例を示す斜視図である。図6に示す回転体301においては、金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面の全面に樹脂被膜312が形成され、さらにその樹脂被膜312の上に繊維強化樹脂組成物層313が積層されている。このように、金属製回転体本体311の少なくとも回転周縁部の外側の面に繊維強化樹脂組成物層313を積層した回転体301は、遠心力による変形又は破損を防止する点から好ましい。
金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面とは回転軸から外側に離れた箇所に位置する縁部の外側の面を意味し、図6に示す回転体301においては樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が形成される回転体本体311の外周面がこれに相当する。なお、図6に示す回転体301においては、回転体本体311の外周面はその全面が回転軸に対して平行な平坦周面であるが、態様(3)はこれに限定されず、その外周面の一部が湾曲していても構わない。外周面の一部(例えば外周面の角部)が所望の曲率になるよう湾曲した形状の具体例としては、ドーナツ型のトルクコンバータの形状等が挙げられる。
繊維強化樹脂組成物層313中の強化繊維(C)は一方向に配向していることが好ましく、特に遠心力による変形又は破損を防止する点から、回転体の回転方向(周方向)に配向していることがより好ましい。
繊維強化樹脂組成物層313の積層方法は特に限定されないが、レーザー融着法により積層することが好ましい。例えば、図6に示すように金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面に繊維強化樹脂組成物層313を積層する場合は、テープワインディングによるレーザー融着法で積層することが好ましい。また、後述する図8のように、金属製回転体本体311の側面に繊維強化樹脂組成物層313を積層する場合は、テーププレースメントによるレーザー融着法で積層することが好ましい。
テープワインディング法によりレーザー融着を行う場合は、例えば、レーザーを照射して繊維強化樹脂組成物のテープを溶融させながらテープワインディング法により回転体本体の表面に接触させて融着する。
図7(A)は、図6に示す回転体301の模式的断面図である。図7(A)に示すように、回転体301においては、金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面の全面に樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が積層形成されている。ただし、態様(3)はこれに限定されない。例えば、図7(B)に示す回転体302のように、金属製回転体本体の回転周縁部の外側の面の一部に、樹脂被膜及び繊維強化樹脂組成物層が形成されていない非被覆部分324を設けることによって、金属製回転体本体の周方向の膨潤や収縮等に起因する寸法変動による悪影響を防止することも可能であると考えられる。また例えば、図7(C)に示す回転体303のように、金属製回転体本体の回転周縁部の外側の面の全面ではなく一部のみに樹脂被膜312を形成し、繊維強化樹脂組成物層が十分に接着していない箇所を部分的に設けることによって、金属製回転体本体の直径方向の膨潤や収縮等に起因する寸法変動による悪影響を防止することも可能であると考えられる。
図6に示す回転体301においては、金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面に樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が積層形成されている。ただし、態様(3)はこれに限定されない。例えば、図8に示す回転体304のように、金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面だけでなく、金属製回転体本体311の側面にも樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が積層形成されていても良い。
さらに、図9に示す回転体305のように、金属製回転体本体311の回転周縁部の外側の面ではなく、内側の面に樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が積層形成されていても良い。また、外側の面及び内側の面の両方に樹脂被膜312及び繊維強化樹脂組成物層313が積層形成されていても良い。
態様(3)において、繊維強化樹脂組成物層の厚さは、好ましくは2000~50000μm、より好ましくは3000~25000μm、特に好ましくは4000~10000μmである。このように繊維強化樹脂組成物層の厚さが比較的厚くても、態様(3)によれば繊維強化樹脂組成物層を問題無く形成できる。
態様(3)において、樹脂被膜は強化繊維を含んでも良い。ただし、その含有率は、樹脂被膜全体に対して、好ましくは20質量%未満、より好ましくは15質量%以下、特に好ましくは10質量%以下、最も好ましくは5質量%以下である。なお、色素の好ましい含有率も、同様の範囲である。強化繊維や色素の含有率が上記数値範囲であれば、樹脂被膜が比較的柔軟な層となるので、熱や温度に対する変形率が異なる材料(金属回転体本体と繊維強化樹脂組成物層)を用いるにもかかわらず、これらの構成要素の変形による不具合を緩和できる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
(1)樹脂の強化繊維束への付着量測定
樹脂の付着した強化繊維束を約5g取り、120℃で3時間乾燥し、その重量W1(g)を測定した。次いで強化繊維束を窒素雰囲気中で、450℃で15分間加熱後、室温まで冷却しその重量W2(g)を測定した。W1(g)及びW2(g)を用いて付着量は次式にて算出した。
付着量=[(W1-W2)/W2]×100(質量%)
樹脂の付着した強化繊維束を約5g取り、120℃で3時間乾燥し、その重量W1(g)を測定した。次いで強化繊維束を窒素雰囲気中で、450℃で15分間加熱後、室温まで冷却しその重量W2(g)を測定した。W1(g)及びW2(g)を用いて付着量は次式にて算出した。
付着量=[(W1-W2)/W2]×100(質量%)
(2)樹脂の重量平均分子量測定
樹脂の重量平均分子量は、以下の条件でのGPC法で求めた。
液体クロマトグラフ:Polymer Laboratories社製 PL-GPC220型高温ゲル浸透クロマトグラフ(示差屈折率計装置内蔵)
カラム:東ソー株式会社製 TSKgel GMHHR-H(S)-HT×2本及び同GMHHR-H(S)×1本を直列接続した。
移動相媒体:1,2,4-トリクロロベンゼン(安定剤0.025%含有)
流速:1.0ml/分
測定温度:150℃
検量線の作成方法:標準ポリスチレンサンプルを使用した。
サンプル濃度:0.15%(w/v)
サンプル溶液量:500μl
検量線作成用標準サンプル:東ソー株式会社製単分散ポリスチレン
分子量較正方法:標準較正法(ポリスチレン換算)
樹脂の重量平均分子量は、以下の条件でのGPC法で求めた。
液体クロマトグラフ:Polymer Laboratories社製 PL-GPC220型高温ゲル浸透クロマトグラフ(示差屈折率計装置内蔵)
カラム:東ソー株式会社製 TSKgel GMHHR-H(S)-HT×2本及び同GMHHR-H(S)×1本を直列接続した。
移動相媒体:1,2,4-トリクロロベンゼン(安定剤0.025%含有)
流速:1.0ml/分
測定温度:150℃
検量線の作成方法:標準ポリスチレンサンプルを使用した。
サンプル濃度:0.15%(w/v)
サンプル溶液量:500μl
検量線作成用標準サンプル:東ソー株式会社製単分散ポリスチレン
分子量較正方法:標準較正法(ポリスチレン換算)
(3)樹脂の構造解析
各樹脂について、有機化合物元素分析、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析、IR(赤外吸収)スペクトル分析、1H-NMR測定及び13C-NMR測定を実施し、プロピレン系樹脂の含有元素量、官能基構造の同定、各帰属プロトン、カーボンのピーク強度より単量体構造の含有割合について評価を実施した。有機化合物元素分析は、有機元素分析装置2400II(PerkinElmer社製)を用いて実施した。ICP発光分析はICPS-7510(株式会社島津製作所製)を用いて実施した。IRスペクトル分析はIR-Prestige-21(株式会社島津製作所製)を用いて実施した。1H-NMR測定及び13C-NMR測定はJEOL JNM-GX400スペクトロメーター(日本電子株式会社製)を用いて実施した。
各樹脂について、有機化合物元素分析、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析、IR(赤外吸収)スペクトル分析、1H-NMR測定及び13C-NMR測定を実施し、プロピレン系樹脂の含有元素量、官能基構造の同定、各帰属プロトン、カーボンのピーク強度より単量体構造の含有割合について評価を実施した。有機化合物元素分析は、有機元素分析装置2400II(PerkinElmer社製)を用いて実施した。ICP発光分析はICPS-7510(株式会社島津製作所製)を用いて実施した。IRスペクトル分析はIR-Prestige-21(株式会社島津製作所製)を用いて実施した。1H-NMR測定及び13C-NMR測定はJEOL JNM-GX400スペクトロメーター(日本電子株式会社製)を用いて実施した。
(4)樹脂のカルボン酸塩含有量の測定
各樹脂に対して、以下の操作を行うことでカルボン酸塩含有量及び中和されていないカルボン酸含有量を測定した。樹脂0.5gをトルエン200ml中で加熱還流し、溶解させた。この溶液を0.1規定の水酸化カリウム-エタノール標準溶液で滴定し、下式より酸価を算出した。指示薬にはフェノールフタレインを用いた。
酸価=(5.611×A×F)/B (mgKOH/g)
A:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液使用量(ml)
F:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液のファクター(1.02)
B:試料採取量(0.50g)
各樹脂に対して、以下の操作を行うことでカルボン酸塩含有量及び中和されていないカルボン酸含有量を測定した。樹脂0.5gをトルエン200ml中で加熱還流し、溶解させた。この溶液を0.1規定の水酸化カリウム-エタノール標準溶液で滴定し、下式より酸価を算出した。指示薬にはフェノールフタレインを用いた。
酸価=(5.611×A×F)/B (mgKOH/g)
A:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液使用量(ml)
F:0.1規定水酸化カリウム-エタノール標準液のファクター(1.02)
B:試料採取量(0.50g)
次に、以上の方法で算出した酸価を下式を用いて中和されていないカルボン酸基のモル数に換算した。
中和されていないカルボン酸基のモル数=酸価×1000/56(モル/g)
中和されていないカルボン酸基のモル数=酸価×1000/56(モル/g)
そして、別途IR、NMR、元素分析等の方法によりカルボン酸基のカルボニル炭素の定量を行って算出したカルボン酸基の総モル数(モル/g)を用いて、下式よりカルボン酸基の中和塩への転化率を算出した。
転化率%=(1-r)×100(%)
r:中和されていないカルボン酸基のモル数/カルボン酸基の総モル数
転化率%=(1-r)×100(%)
r:中和されていないカルボン酸基のモル数/カルボン酸基の総モル数
(5)擦過毛羽数測定
特許5584977号の実施例に記載の方法と同様にして決定した。具体的には、擦過毛羽数が0~5個/mを合格とし、それを超えると不合格とした。
特許5584977号の実施例に記載の方法と同様にして決定した。具体的には、擦過毛羽数が0~5個/mを合格とし、それを超えると不合格とした。
(6)融点の測定方法
重合体の融点(Tm)は、セイコーインスツルメンツ社製DSC220C装置で示差走査熱量計(DSC)により測定した。具体的には、試料7~12mgをアルミニウムパン中に密封し、室温から10℃/分で200℃まで加熱した。その試料を、全ての結晶を完全融解させるために200℃で5分間保持し、次いで10℃/分で-50℃まで冷却した。-50℃で5分間置いた後,その試料を10℃/分で200℃まで2度目に加熱した。この2度目の加熱試験におけるピーク温度を融点(Tm-II)として採用した。
重合体の融点(Tm)は、セイコーインスツルメンツ社製DSC220C装置で示差走査熱量計(DSC)により測定した。具体的には、試料7~12mgをアルミニウムパン中に密封し、室温から10℃/分で200℃まで加熱した。その試料を、全ての結晶を完全融解させるために200℃で5分間保持し、次いで10℃/分で-50℃まで冷却した。-50℃で5分間置いた後,その試料を10℃/分で200℃まで2度目に加熱した。この2度目の加熱試験におけるピーク温度を融点(Tm-II)として採用した。
(7)界面剪断強度(IFSS)の評価
強化繊維束とマトリックス樹脂との界面剪断せん断強度(フラグメンテーション法)の評価は次の方法で測定した。マトリックス樹脂からなる100μm厚の樹脂フィルム(20cm×20cm角)を2枚作製した。そして一方の樹脂フィルム上に、強化繊維束から取り出した20cm長の単繊維1本を直線状に配置し、他方の樹脂フィルムを単繊維を挟むように重ねて配置した。これを200℃で3分間、4MPaの圧力で加圧プレスし、単繊維が樹脂に埋め込まれたサンプルを作製した。このサンプルをさらに切出して、単繊維が中央に埋没した厚さ0.2mm、幅5mm、長さ30mmの試験片を得た。さらに同じ方法で合計5個の試験片を作製した。これら5個の試験片に対して、通常の引張試験治具を用いて試験長14mm、歪速度0.3mm/minの条件で引張試験を行い、繊維の破断が起こらなくなった時の平均破断繊維長(l)を透過型光学顕微鏡を用いて測定した。フラグメンテーション法による界面せん断強度(τ)(MPa)は下式より求めた。
τ=(σf・d)/2Lc、 Lc=(4/3)・L
強化繊維束とマトリックス樹脂との界面剪断せん断強度(フラグメンテーション法)の評価は次の方法で測定した。マトリックス樹脂からなる100μm厚の樹脂フィルム(20cm×20cm角)を2枚作製した。そして一方の樹脂フィルム上に、強化繊維束から取り出した20cm長の単繊維1本を直線状に配置し、他方の樹脂フィルムを単繊維を挟むように重ねて配置した。これを200℃で3分間、4MPaの圧力で加圧プレスし、単繊維が樹脂に埋め込まれたサンプルを作製した。このサンプルをさらに切出して、単繊維が中央に埋没した厚さ0.2mm、幅5mm、長さ30mmの試験片を得た。さらに同じ方法で合計5個の試験片を作製した。これら5個の試験片に対して、通常の引張試験治具を用いて試験長14mm、歪速度0.3mm/minの条件で引張試験を行い、繊維の破断が起こらなくなった時の平均破断繊維長(l)を透過型光学顕微鏡を用いて測定した。フラグメンテーション法による界面せん断強度(τ)(MPa)は下式より求めた。
τ=(σf・d)/2Lc、 Lc=(4/3)・L
ここで、Lcは臨界繊維長、Lは最終的な繊維の破断長さ(μm)の平均値、σfは繊維の引張り強さ(MPa)、dは繊維の直径(μm)である(参考文献:大沢ら、繊維学会誌Vol.33,No.1(1977))。σfは繊維の引張強度分布がワイブル分布に従うとして次の方法で求めた。即ち、単繊維を用い、試料長が5mm、25mm、50mmで得られた平均引張強度から最小2乗法により、試料長と平均引張強度との関係式を求め、試料長Lcの時の平均引張強度を算出した。
(7)粘着性
後述するローラー含浸法にて得られた炭素繊維束をSUS304の試験片上に置き、120℃で乾燥させた。乾燥後、180°ピール法により以下の基準で粘着性を評価した。
○:繊維束がSUS304から簡単に剥がれる。
×:繊維束がSUS304と接着しており、剥がれ難い。
後述するローラー含浸法にて得られた炭素繊維束をSUS304の試験片上に置き、120℃で乾燥させた。乾燥後、180°ピール法により以下の基準で粘着性を評価した。
○:繊維束がSUS304から簡単に剥がれる。
×:繊維束がSUS304と接着しており、剥がれ難い。
(8)開繊性
後述するローラー含侵法にて得られた炭素繊維束を100℃以上に加熱した金属棒上を滑らせ、開繊状態を下記基準にて開繊性を評価した。
○:均一に繊維が広がる。
×:集束した繊維部分が残る。
後述するローラー含侵法にて得られた炭素繊維束を100℃以上に加熱した金属棒上を滑らせ、開繊状態を下記基準にて開繊性を評価した。
○:均一に繊維が広がる。
×:集束した繊維部分が残る。
以下、実施例にて使用した材料を示す。
<強化繊維(C)>
炭素繊維束(三菱レイヨン株式会社製、パイロフィル(登録商標)TR50S12L、フィラメント数12000本、ストランド強度5000MPa、ストランド弾性率242GPa)をアセトン中に浸漬し、10分間超音波を作用させた後、炭素繊維束を引き上げさらに3回アセトンで洗浄し、室温で8時間乾燥することにより付着しているサイジング剤を除去して用いた。
炭素繊維束(三菱レイヨン株式会社製、パイロフィル(登録商標)TR50S12L、フィラメント数12000本、ストランド強度5000MPa、ストランド弾性率242GPa)をアセトン中に浸漬し、10分間超音波を作用させた後、炭素繊維束を引き上げさらに3回アセトンで洗浄し、室温で8時間乾燥することにより付着しているサイジング剤を除去して用いた。
<製造例A1-エマルションの製造>
プロピレン系樹脂(A)として、GPCで測定した重量平均分子量が12万、融点を持たないプロピレン・ブテン・エチレン共重合体を100質量部、プロピレン系樹脂(B)の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw:27,000、酸価:45mg-KOH/g、無水マレイン酸含有率:4質量%、融点:140℃)10質量部、界面活性剤として、オレイン酸カリウム3質量部を混合した。この混合物を2軸スクリュー押出機(池貝鉄工株式会社製、PCM-30,L/D=40)のホッパーより3000g/時間の速度で供給し、同押出機のベント部に設けた供給口より、20%の水酸化カリウム水溶液を90g/時間の割合で連続的に供給し、加熱温度210℃で連続的に押出した。押出した樹脂混合物を、押出機口に設置したジャケット付きスタティックミキサーで110℃まで冷却し、さらに80℃の温水中に投入してエマルションを得た。得られたエマルションは固形分濃度は45%であった。
プロピレン系樹脂(A)として、GPCで測定した重量平均分子量が12万、融点を持たないプロピレン・ブテン・エチレン共重合体を100質量部、プロピレン系樹脂(B)の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw:27,000、酸価:45mg-KOH/g、無水マレイン酸含有率:4質量%、融点:140℃)10質量部、界面活性剤として、オレイン酸カリウム3質量部を混合した。この混合物を2軸スクリュー押出機(池貝鉄工株式会社製、PCM-30,L/D=40)のホッパーより3000g/時間の速度で供給し、同押出機のベント部に設けた供給口より、20%の水酸化カリウム水溶液を90g/時間の割合で連続的に供給し、加熱温度210℃で連続的に押出した。押出した樹脂混合物を、押出機口に設置したジャケット付きスタティックミキサーで110℃まで冷却し、さらに80℃の温水中に投入してエマルションを得た。得られたエマルションは固形分濃度は45%であった。
なお、前記の無水マレイン酸変性プロピレン系樹脂は、プロピレン・ブテン共重合体96質量部、無水マレイン酸4質量部、及び重合開始剤(日本油脂株式会社製、パーヘキサ(登録商標)25B)0.4質量部を混合し、加熱温度160℃、2時間で変性を行って得られた変性樹脂である。
<製造例A2-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例A1で製造したエマルションを、ローラー含浸法を用いて、強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87%であった。強化繊維束の毛羽立ち性は合格であった。
製造例A1で製造したエマルションを、ローラー含浸法を用いて、強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87%であった。強化繊維束の毛羽立ち性は合格であった。
次いで、この強化繊維束57質量部と、マトリックス樹脂として、市販の未変性プロピレン樹脂(株式会社プライムポリマー製、プライムポリプロ(登録商標)J106MG、融点160℃)及び無水マレイン酸を0.5質量%グラフトした変性ポリプロピレン(ASTM D1238に準じて190℃、荷重2.16kgで測定したメルトフローレートが9.1g/10分、融点155℃)とカーボンブラックを含有するマスターバッチ(DIC株式会社製PEONY(登録商標) BLACK BMB-16117:カーボンブラック含有量40%)43部とを含む樹脂組成物を調製し、常法により平均厚み150μmのシートを作製した。なお、前記の未変性プロピレンと変性ポリプロピレンとの質量比は90/10(重量平均分子量は30万に相当)であり、カーボンブラックの含有量が樹脂組成物全体の1質量%となるように調整した(樹脂の融点は160℃、樹脂組成物全体に対する無水マレイン酸構造単位含有率:0.023質量%、繊維体積分率Vf0.4)。これをスリッターにて切断加工し、幅12mm、厚さ150μmの繊維強化樹脂テープを得た。
<製造例A3-カーボンブラック分散体の調製>
カーボンブラック(Orion engineered carbons社製、商品名SPEZIALSCHWARZ 4 A)4g、酸変性ポリオレフィン(三井化学社株式会社製、商品名XP03B、不揮発分20質量%)20g、トルエン8g、及び直径2mmのガラスビーズ30gを75mlマヨネーズ瓶に投入し、シェーカーにて6時間振とうし、カーボンブラックを分散させた。次いで、トルエン12.2gを投入し、シェーカーにて更に1時間振とう後、100メッシュのナイロン濾布を用いてガラスビーズを濾別し、38gの不揮発分18%のカーボンブラック分散体を得た。
カーボンブラック(Orion engineered carbons社製、商品名SPEZIALSCHWARZ 4 A)4g、酸変性ポリオレフィン(三井化学社株式会社製、商品名XP03B、不揮発分20質量%)20g、トルエン8g、及び直径2mmのガラスビーズ30gを75mlマヨネーズ瓶に投入し、シェーカーにて6時間振とうし、カーボンブラックを分散させた。次いで、トルエン12.2gを投入し、シェーカーにて更に1時間振とう後、100メッシュのナイロン濾布を用いてガラスビーズを濾別し、38gの不揮発分18%のカーボンブラック分散体を得た。
<製造例A4-カーボンブラック5%下地処理材の調整>
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)18gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体を2gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック5%を含む下地処理材20gを得た。
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)18gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体を2gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック5%を含む下地処理材20gを得た。
<製造例A5-カーボンブラック10%下地処理材の調整>
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)16gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体4gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック10%を含む下地処理材20gを得た。
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)16gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体4gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック10%を含む下地処理材20gを得た。
<製造例A6-カーボンブラック20%下地処理材の調整>
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)12gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体8gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック20%を含む下地処理材20gを得た。
50mlサンプル瓶に酸変性ポリオレフィン分散体(三井化学株式会社製、商品名R-300、不揮発分18%)12gと製造例A3で得られたカーボンブラック分散体8gを投入し、良く振り混ぜてカーボンブラック20%を含む下地処理材20gを得た。
<実施例A1>
酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20%)をスポイトでアルミ板(材質A1050P、幅60mm×長さ120mm×厚み1mm)の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A4で製造したカーボンブラック5%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せXP10Bの乾燥膜のうえからNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。この樹脂被膜の上に、出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドを装着したロボットを使用して、製造例A2で製造した幅12mmのテープを試験片の長さまでレーザープレースメント成形で融着させ、200mmの長さのテープをはみださせた状態のサンプルを得た。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。
酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20%)をスポイトでアルミ板(材質A1050P、幅60mm×長さ120mm×厚み1mm)の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A4で製造したカーボンブラック5%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せXP10Bの乾燥膜のうえからNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。この樹脂被膜の上に、出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドを装着したロボットを使用して、製造例A2で製造した幅12mmのテープを試験片の長さまでレーザープレースメント成形で融着させ、200mmの長さのテープをはみださせた状態のサンプルを得た。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。
<実施例A2>
実施例A1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例A3>
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を、製造例A5で製造したカーボンブラック10%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を、製造例A5で製造したカーボンブラック10%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例A4>
実施例A3のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A3のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例A5>
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を、製造例A6で製造したカーボンブラック20%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を、製造例A6で製造したカーボンブラック20%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例A6>
実施例A5のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A5のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<参考例A1>
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を酸変性ポリオレフィン分散体(R-300)に変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例1Aと同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例A1のカーボンブラック5%を含む下地処理材を酸変性ポリオレフィン分散体(R-300)に変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例1Aと同様のレーザープレースメント成形を行った。
<参考例A2>
参考例A1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
参考例A1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例A1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
以上の実施例A1~A6及び参考例A1~A2のサンプルに対して、以下の外観評価及び剥離試験を行った。結果を表1に示す。
<外観評価>
外観の評価項目は、樹脂の絞り出し、繊維の飛び出し、表面低滑性、表面光沢であり、目視により以下の基準で評価した。
外観の評価項目は、樹脂の絞り出し、繊維の飛び出し、表面低滑性、表面光沢であり、目視により以下の基準で評価した。
(樹脂の絞り出し)
「なし」:テープの樹脂の絞り出しがなかった。
「あり」:テープの樹脂の絞り出しがあった。
「なし」:テープの樹脂の絞り出しがなかった。
「あり」:テープの樹脂の絞り出しがあった。
(繊維の飛び出し)
「なし」:テープの繊維の飛び出しがなかった。
「あり」:テープの繊維の飛び出しがあった。
「なし」:テープの繊維の飛び出しがなかった。
「あり」:テープの繊維の飛び出しがあった。
(表面平滑性)
「○」:テープの表面が平滑であった。
「△」:テープの表面があまり平滑ではなかった。
「×」:テープの表面が平滑ではなかった。
(表面光沢)
「○」:テープの表面に光沢があった。
「△」:テープの表面に光沢はあまりなかった。
「×」:テープの表面に光沢はなかった。
「○」:テープの表面が平滑であった。
「△」:テープの表面があまり平滑ではなかった。
「×」:テープの表面が平滑ではなかった。
(表面光沢)
「○」:テープの表面に光沢があった。
「△」:テープの表面に光沢はあまりなかった。
「×」:テープの表面に光沢はなかった。
<剥離試験>
サンプルのアルミニウム片の底面を固定し、テープ先端をばねばかりに取り付けて45°の角度で引張り、強制的に剥離したときの荷重を記録し、平均剥離力を剥離面の幅で規格化することにより剥離強度(N/m)を測定した。
サンプルのアルミニウム片の底面を固定し、テープ先端をばねばかりに取り付けて45°の角度で引張り、強制的に剥離したときの荷重を記録し、平均剥離力を剥離面の幅で規格化することにより剥離強度(N/m)を測定した。
表1に示す通り、実施例A1~A6のサンプルは樹脂の絞り出しや繊維の飛び出しが無く、表面平滑性や表面光沢も良好であった。なお、剥離試験後の剥離面を電子顕微鏡(日本電子株式会社製)で観察したところ、マトリックス樹脂部分の剥がれは無かった。すなわち剥離面は、強化繊維と樹脂との界面剥離や強化繊維の一部破断であった。
樹脂被膜にカーボンブラックを使用しなかった参考例A1及びA2のサンプルは、積層の際にテープが接着せずあるいは剥離強度が非常に低かった。さらに樹脂の絞り出しもあり、表面平滑性や表面光沢も若干劣っていた。
<製造例B1-エマルションの製造>
プロピレン系樹脂(A)として、ショアD硬度が52、GPCで測定した重量平均分子量が35万、融点が80℃のプロピレン・ブテン共重合体を100質量部、プロピレン系樹脂(B)の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw:20,000、酸価:45mg-KOH/g、無水マレイン酸含有率:4質量%、融点:140℃)10質量部を使用した以外は製造例1Aと同様にして、固形分濃度が45%のエマルションを得た。
プロピレン系樹脂(A)として、ショアD硬度が52、GPCで測定した重量平均分子量が35万、融点が80℃のプロピレン・ブテン共重合体を100質量部、プロピレン系樹脂(B)の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw:20,000、酸価:45mg-KOH/g、無水マレイン酸含有率:4質量%、融点:140℃)10質量部を使用した以外は製造例1Aと同様にして、固形分濃度が45%のエマルションを得た。
<製造例B2-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例B1で得たエマルションを、ローラー含浸法を用いて、サイジング剤を除去した強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87質量%であった。
製造例B1で得たエマルションを、ローラー含浸法を用いて、サイジング剤を除去した強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87質量%であった。
次いで、この強化繊維束57質量部と、マトリックス樹脂として、市販の未変性プロピレン樹脂(株式会社プライムポリマー製、商品名プライムポリプロ(登録商標)J106MG、融点160℃)及び無水マレイン酸を0.5質量%グラフトした変性ポリプロピレン(ASTM D1238に準じて190℃、荷重2.16kgで測定したメルトフローレートが9.1g/10分、融点155℃)と、カーボンブラックを含有するマスターバッチ(DIC株式会社製PEONY(登録商標) BLACK BMB-16117、カーボンブラック含有量40質量%)43質量部とを含む樹脂組成物を調製し、常法により平均厚み150μmのシートを作製した。尚、前記未変性プロピレン樹脂と変性ポリプロピレンとの質量比が90/10(重量平均分子量は33万に相当)となり、カーボンブラックの含有量が樹脂組成物全体の1質量%となるように調整した(樹脂の融点は160℃、樹脂組成物全体に対する無水マレイン酸含有率:0.023質量%、繊維体積分率Vf0.4)。これをスリッターを用いて切断し、幅12mmのテープと、幅36mmのテープとを得た。
<実施例B1>
(平板状鋼板への樹脂被膜の形成)
A3サイズ(420×297mm)で厚さが0.6mmの冷間圧延鋼板(SPCC)の平板状鋼板サンプルを準備した。その表面に付着している油脂分を、アセトンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をスポイトで鋼板の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A4で得たカーボンブラック5質量%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せ、XP10Bの乾燥膜の上からNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成された鋼板を得た。
(平板状鋼板への樹脂被膜の形成)
A3サイズ(420×297mm)で厚さが0.6mmの冷間圧延鋼板(SPCC)の平板状鋼板サンプルを準備した。その表面に付着している油脂分を、アセトンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をスポイトで鋼板の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A4で得たカーボンブラック5質量%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せ、XP10Bの乾燥膜の上からNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成された鋼板を得た。
(炭素繊維強化樹脂テープの積層)
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、図2(A)に示すように、製造例B2で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を、樹脂被膜103が塗工形成された厚さ0.6mmの平板状鋼板101の長手方向中央に、レーザープレースメント成形で貼合することにより積層した。この際、幅36mmとなるようにテープを3本横に並べるようにレーザープレースメント成形を繰り返した。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。この鋼板101の上側表面の全体面積(Xm)と炭素繊維強化樹脂テープ3本が積層された部分の面積(Xf)の比(Xf/Xm)は、8.25/1である。更にこの操作を繰り返すことにより、幅36mmの中央部分に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、図2(A)に示すように、製造例B2で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を、樹脂被膜103が塗工形成された厚さ0.6mmの平板状鋼板101の長手方向中央に、レーザープレースメント成形で貼合することにより積層した。この際、幅36mmとなるようにテープを3本横に並べるようにレーザープレースメント成形を繰り返した。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。この鋼板101の上側表面の全体面積(Xm)と炭素繊維強化樹脂テープ3本が積層された部分の面積(Xf)の比(Xf/Xm)は、8.25/1である。更にこの操作を繰り返すことにより、幅36mmの中央部分に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
この積層体を一昼夜放置して温度が室温まで下がった状態にしたところ、図2(B)に示すように、炭素繊維強化樹脂テープ103を積層した面側が凸状となる反りが生じた。ただし、その反りの高さ4は3.5mmであり、比較的小さな反りであった。
<実施例B2>
厚さが0.4mmの鋼板を用いたこと以外は、実施例B1と同様にしてレーザープレースメント成形により積層体を作製した。この積層体の中央部分の反りの高さは5.0mmであり、比較的小さな反りであった。
厚さが0.4mmの鋼板を用いたこと以外は、実施例B1と同様にしてレーザープレースメント成形により積層体を作製した。この積層体の中央部分の反りの高さは5.0mmであり、比較的小さな反りであった。
<参考例B1>
まず実施例B1と同様にして、厚さが0.6mmの鋼板に樹脂被膜を形成した。そして、製造例B2で得た幅36mmの炭素繊維強化樹脂テープを、実施例B1と同じ樹脂被膜を塗工形成した厚さ0.6mmの鋼板の長手方向中央に載せ、アイロン(Panasonic社製、NI-A66-K)の表面温度を230℃に設定し、アイロンとテープの間に離型を挟み、アイロンでテープの樹脂を溶融させながら押さえ込んで貼付けることにより積層した。アイロンを当てた部分の鋼板の温度は200℃であった。更にこの操作を繰り返すことにより、幅36mmの中央部分に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
まず実施例B1と同様にして、厚さが0.6mmの鋼板に樹脂被膜を形成した。そして、製造例B2で得た幅36mmの炭素繊維強化樹脂テープを、実施例B1と同じ樹脂被膜を塗工形成した厚さ0.6mmの鋼板の長手方向中央に載せ、アイロン(Panasonic社製、NI-A66-K)の表面温度を230℃に設定し、アイロンとテープの間に離型を挟み、アイロンでテープの樹脂を溶融させながら押さえ込んで貼付けることにより積層した。アイロンを当てた部分の鋼板の温度は200℃であった。更にこの操作を繰り返すことにより、幅36mmの中央部分に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
この積層体を一昼夜放置して温度が室温まで下がった状態にしたところ、中央部分の反りの高さは15.5mmであり、同じ厚さが0.6mmの鋼板を用いた実施例B1の結果と比較すると非常に大きな反りであった。
<参考例B2>
厚さが0.4mmの鋼板を用いたこと以外は、参考例B1と同様にしてアイロンを用いて積層体を作製した。この積層体の中央部分の反りの高さは18.5mmであり、同じ厚さが0.4mmの鋼板を用いた実施例B2の結果と比較すると非常に大きな反りであった。
厚さが0.4mmの鋼板を用いたこと以外は、参考例B1と同様にしてアイロンを用いて積層体を作製した。この積層体の中央部分の反りの高さは18.5mmであり、同じ厚さが0.4mmの鋼板を用いた実施例B2の結果と比較すると非常に大きな反りであった。
以上の実施例B1~B2及び参考例B1~B2の結果を、以下の表2にまとめて示す。
<実施例B3>
(曲面状鋼板への樹脂被膜の形成)
厚さ0.4mm、縦650mm、横650mmの冷間圧延鋼板(SPCC)平板状鋼板を、高さ50mmのピラミッド形状にプレス成形し、曲面状鋼板サンプルを得た。この曲面状鋼板サンプルを用いたこと以外は、実施例B1と同様の方法で黒色の樹脂被膜が塗工形成された曲面状鋼板を得た。
(曲面状鋼板への樹脂被膜の形成)
厚さ0.4mm、縦650mm、横650mmの冷間圧延鋼板(SPCC)平板状鋼板を、高さ50mmのピラミッド形状にプレス成形し、曲面状鋼板サンプルを得た。この曲面状鋼板サンプルを用いたこと以外は、実施例B1と同様の方法で黒色の樹脂被膜が塗工形成された曲面状鋼板を得た。
(炭素繊維強化樹脂テープの積層)
実施例B1と同じ装置を用い、図3に示すように、製造例B2で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を、前記のように樹脂被膜103を塗工形成した厚さ0.6mmの曲面状鋼板1のピラミッド面の4か所に、レーザープレースメント成形で貼合することにより積層した。炭素繊維強化樹脂テープ102が積層された4か所の部分は、各々、幅36mm(幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を3本横に並べて積層)、長さ250mmであり、この鋼板101の上側表面の全体面積(Xm)とテープ102が積層された部分の面積(Xf)の比(Xm/Xf)は、11.7/1(=(650×650)/(36×250×4))である。更にこの操作を繰り返すことにより、この4か所の部分に、各々、6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。ここで、曲面状鋼板1の変曲点5にはテープ102は積層されていない。
実施例B1と同じ装置を用い、図3に示すように、製造例B2で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を、前記のように樹脂被膜103を塗工形成した厚さ0.6mmの曲面状鋼板1のピラミッド面の4か所に、レーザープレースメント成形で貼合することにより積層した。炭素繊維強化樹脂テープ102が積層された4か所の部分は、各々、幅36mm(幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ102を3本横に並べて積層)、長さ250mmであり、この鋼板101の上側表面の全体面積(Xm)とテープ102が積層された部分の面積(Xf)の比(Xm/Xf)は、11.7/1(=(650×650)/(36×250×4))である。更にこの操作を繰り返すことにより、この4か所の部分に、各々、6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。ここで、曲面状鋼板1の変曲点5にはテープ102は積層されていない。
この積層体を一昼夜放置して温度が室温まで下がった状態にしたところ、ピラミッド形状が変形してその高さが若干高くなった。ただし、その際のピラミッド形状の高さは51.5mmであり、比較的小さな変形であった。
<参考例B3>
まず実施例3Bと同様にして、厚さが0.6mmの曲面状鋼板に樹脂被膜を形成した。そして、製造例B2で得た幅36mmの炭素繊維強化樹脂テープを、実施例B3と同じ樹脂被膜が塗工形成された厚さ0.6mmの曲面状鋼板のピラミッド面の4か所に載せ、アイロン(Panasonic社製)の表面温度を230℃に設定し、アイロンとテープの間に離形紙を挟み、アイロンでテープの樹脂を溶融させながら押さえ込んで貼付けることにより積層した。アイロンを当てた部分の鋼板の温度は200℃であった。更にこの操作を繰り返すことにより、実施例B3と同じ箇所に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
まず実施例3Bと同様にして、厚さが0.6mmの曲面状鋼板に樹脂被膜を形成した。そして、製造例B2で得た幅36mmの炭素繊維強化樹脂テープを、実施例B3と同じ樹脂被膜が塗工形成された厚さ0.6mmの曲面状鋼板のピラミッド面の4か所に載せ、アイロン(Panasonic社製)の表面温度を230℃に設定し、アイロンとテープの間に離形紙を挟み、アイロンでテープの樹脂を溶融させながら押さえ込んで貼付けることにより積層した。アイロンを当てた部分の鋼板の温度は200℃であった。更にこの操作を繰り返すことにより、実施例B3と同じ箇所に6層のテープ102が重ねて積層された積層体を得た。
この積層体を一昼夜放置して温度が室温まで下がった状態にしたところ、ピラミッド形状が変形してその高さが高くなった。その際のピラミッド形状の高さは57.5mmであり、実施例B3の結果と比較すると非常に大きな変形であった。
<製造例C1-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例B1で得たエマルションを、ローラー含浸法を用いて、サイジング剤を除去した強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87質量%であった。
製造例B1で得たエマルションを、ローラー含浸法を用いて、サイジング剤を除去した強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.87質量%であった。
次いで、この強化繊維束57質量部と、マトリックス樹脂として、市販の未変性プロピレン樹脂(株式会社プライムポリマー製、商品名プライムポリプロ(登録商標)J106MG、融点160℃)及び無水マレイン酸を0.5質量%グラフトした変性ポリプロピレン(ASTM D1238に準じて190℃、荷重2.16kgで測定したメルトフローレートが9.1g/10分、融点155℃)43質量部を含む樹脂組成物を調製し、常法により平均厚み150μmのシートを作製した。なお、前記未変性プロピレン樹脂と変性ポリプロピレンとの重量比が90/10(重量平均分子量は33万に相当)となるように調整した(樹脂の融点160℃、樹脂組成物全体に対する無水マレイン酸含有率:0.023質量%、繊維体積分率Vf=0.4)。これをスリッターを用いて切断し、幅12mm、厚さ150μmのテープを得た。
<製造例C2-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例C1と同様の方法により、但し、強化繊維束の量を67質量部、マトリックス樹脂の量を33質量部、繊維体積分率Vfを0.5に変更してテープを得た。
製造例C1と同様の方法により、但し、強化繊維束の量を67質量部、マトリックス樹脂の量を33質量部、繊維体積分率Vfを0.5に変更してテープを得た。
<製造例C3-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例C1と同様の方法により、但し、強化繊維束の量を75質量部、マトリックス樹脂の量を25質量部、繊維体積分率Vfを0.6に変更してテープを得た。
製造例C1と同様の方法により、但し、強化繊維束の量を75質量部、マトリックス樹脂の量を25質量部、繊維体積分率Vfを0.6に変更してテープを得た。
<実施例C1>
(金属製圧力容器基材への樹脂被膜の形成)
アルミニウム合金製の圧縮ガス量500L(バルブを除いた長さ57cm、直径10cm)の圧力容器基材を準備した。その表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈してスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成された圧力容器基材を得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(金属製圧力容器基材への樹脂被膜の形成)
アルミニウム合金製の圧縮ガス量500L(バルブを除いた長さ57cm、直径10cm)の圧力容器基材を準備した。その表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈してスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成された圧力容器基材を得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(炭素繊維強化樹脂テープの積層)
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、図4に示すように、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ202を、黒色の樹脂被膜が塗工形成された圧力容器基材201に80°の角度でフープ巻きにしながらレーザーワインディング成形で貼合して積層した。その上にさらに、炭素繊維強化樹脂テープ202を20°の角度でヘリカル巻きにしながらレーザーワインディング成形で貼合して積層した。さらにこの操作を繰り返すことにより、炭素繊維強化樹脂テープ202が積層されてなる厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は2.0であった。
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、図4に示すように、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープ202を、黒色の樹脂被膜が塗工形成された圧力容器基材201に80°の角度でフープ巻きにしながらレーザーワインディング成形で貼合して積層した。その上にさらに、炭素繊維強化樹脂テープ202を20°の角度でヘリカル巻きにしながらレーザーワインディング成形で貼合して積層した。さらにこの操作を繰り返すことにより、炭素繊維強化樹脂テープ202が積層されてなる厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は2.0であった。
<実施例C2>
製造例C2で得た炭素繊維強化樹脂テープを用いたこと以外は、実施例1Cと同様の方法により厚さ7.5mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は1.8であった。
製造例C2で得た炭素繊維強化樹脂テープを用いたこと以外は、実施例1Cと同様の方法により厚さ7.5mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は1.8であった。
<実施例C3>
製造例C3で得た炭素繊維強化樹脂テープを用いたこと以外は、実施例1Cと同様の方法により厚さ4.5mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は1.5であった。
製造例C3で得た炭素繊維強化樹脂テープを用いたこと以外は、実施例1Cと同様の方法により厚さ4.5mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。フープ巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(F)とヘリカル巻きによる繊維強化樹脂組成物層の厚さ(H)の比(F/H)は1.5であった。
<参考例C1>
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりに圧力容器基材を180℃のオーブンに入れて予備加熱した後、実施例C1と同じ炭素繊維強化樹脂テープのフープ巻き及びヘリカル巻きを行ない、その後再度180℃のオーブンに入れて貼合し、厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。しかし、圧力容器基材の端部のテープの一部の位置のずれ、及び一部の炭素繊維の切断が確認された。
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりに圧力容器基材を180℃のオーブンに入れて予備加熱した後、実施例C1と同じ炭素繊維強化樹脂テープのフープ巻き及びヘリカル巻きを行ない、その後再度180℃のオーブンに入れて貼合し、厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。しかし、圧力容器基材の端部のテープの一部の位置のずれ、及び一部の炭素繊維の切断が確認された。
<参考例C2>
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりにヒートガンを用いてテープを加熱しながら、実施例C1と同じ炭素繊維強化樹脂テープのフープ巻き及びヘリカル巻きを行ない、その後180℃のオーブンに入れて貼合し、厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。しかし、圧力容器基材の端部のテープの一部の位置のずれ、及び一部の炭素繊維の切断が確認された。
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりにヒートガンを用いてテープを加熱しながら、実施例C1と同じ炭素繊維強化樹脂テープのフープ巻き及びヘリカル巻きを行ない、その後180℃のオーブンに入れて貼合し、厚さ9mmの繊維強化樹脂組成物層を得た。しかし、圧力容器基材の端部のテープの一部の位置のずれ、及び一部の炭素繊維の切断が確認された。
<実施例D1>
(トルクコンバータへの樹脂被膜の形成)
真ん中に穴が開いたドーナツ型の鉄製のトルクコンバータ(回転体本体)の表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈して、ドーナツ型の外円周にスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたトルクコンバータを得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(トルクコンバータへの樹脂被膜の形成)
真ん中に穴が開いたドーナツ型の鉄製のトルクコンバータ(回転体本体)の表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈して、ドーナツ型の外円周にスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたトルクコンバータを得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(炭素繊維強化樹脂テープの積層)
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープを、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたトルクコンバータの外円周に巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して積層し、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図6及び図7(A)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂組成物層の厚さは5mmであった。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着した。これを用いて、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープを、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたトルクコンバータの外円周に巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して積層し、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図6及び図7(A)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂組成物層の厚さは5mmであった。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
<実施例D2>
炭素繊維強化樹脂テープを、トルクコンバータの外周面の一部を残して巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して1層のみ積層したこと以外は実施例D1と同様にして積層して、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図7(B)の回転体に相当)を得た。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
炭素繊維強化樹脂テープを、トルクコンバータの外周面の一部を残して巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して1層のみ積層したこと以外は実施例D1と同様にして積層して、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図7(B)の回転体に相当)を得た。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
<実施例D3>
トルクコンバータへの樹脂被膜形成の際に、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈したものを4か所のみにスプレーし、製造例A3で得たカーボンブラック分散体をXP10Bの乾燥膜の上からスプレーしたこと以外は実施例D1と同様にして、炭素繊維強化樹脂テープを積層して、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図7(C)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂層の厚さは3mmであった。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、上記の4か所においては炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
トルクコンバータへの樹脂被膜形成の際に、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈したものを4か所のみにスプレーし、製造例A3で得たカーボンブラック分散体をXP10Bの乾燥膜の上からスプレーしたこと以外は実施例D1と同様にして、炭素繊維強化樹脂テープを積層して、炭素繊維強化樹脂層を有するトルクコンバータ(図7(C)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂層の厚さは3mmであった。トルクコンバータ(回転体本体)の外周面は一部が湾曲しているが、上記の4か所においては炭素繊維強化樹脂テープはトルクコンバータに完全に密着していた。
<参考例D1>
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりにトルクコンバータ(回転体本体)を180℃のオーブンに入れて予備加熱した後、実施例D1と同じ炭素繊維強化樹脂テープを外周面に巻き付け、その後再度180℃のオーブンに入れて貼合した。しかし、トルクコンバータ端部のテープの一部の位置ずれ及び一部の炭素繊維の切断が確認された。炭素繊維強化樹脂層の厚さは5mmであった。
レーザーワインディング成形は行わず、その代わりにトルクコンバータ(回転体本体)を180℃のオーブンに入れて予備加熱した後、実施例D1と同じ炭素繊維強化樹脂テープを外周面に巻き付け、その後再度180℃のオーブンに入れて貼合した。しかし、トルクコンバータ端部のテープの一部の位置ずれ及び一部の炭素繊維の切断が確認された。炭素繊維強化樹脂層の厚さは5mmであった。
<実施例D4>
(CVTプーリーのカバーへの樹脂被膜の形成)
真ん中に穴が開いたカップ型の鉄製のCVTプーリーのカバー(回転体本体)の表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈して、カップ型の外円周にスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたCVTプーリーのカバーを得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(CVTプーリーのカバーへの樹脂被膜の形成)
真ん中に穴が開いたカップ型の鉄製のCVTプーリーのカバー(回転体本体)の表面に付着している油脂分を、キシレンをしみこませた布でふき取った。次いで、酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20質量%)をトルエンで15%の濃度に希釈して、カップ型の外円周にスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A3で得たカーボンブラック分散体を同じ様に、XP10Bの乾燥膜の上からスプレーにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の樹脂被膜が塗工形成されたCVTプーリーのカバーを得た。塗膜の厚みは23μmであった。
(炭素繊維強化樹脂テープの積層)
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着したものを準備した。これを用いて、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープを、前記のように黒色の樹脂被膜が塗工形成されたCVTプーリーのカバーの外周面に巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して積層し、炭素繊維強化樹脂層を有するCVTプーリーのカバー(図6及び図7(A)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂組成物層の厚さは3mmであった。
出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドをロボットに装着したものを準備した。これを用いて、製造例C1で得た幅12mmの炭素繊維強化樹脂テープを、前記のように黒色の樹脂被膜が塗工形成されたCVTプーリーのカバーの外周面に巻き付けながらレーザーワインディング成形で貼合して積層し、炭素繊維強化樹脂層を有するCVTプーリーのカバー(図6及び図7(A)の回転体に相当)を得た。炭素繊維強化樹脂組成物層の厚さは3mmであった。
(製造例E1-エマルションの製造方法)
ブテン系樹脂として、公知のマグネシウム化合物担持型チタン触媒を用いてショアD硬度が65、ASTM1238規格に従い、190℃、2.16kg荷重の条件で測定したメルトフローレイト(MFR)が0.5g/10分であるブテン単独重合体を100質量部、プロピレン系樹脂の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw=20,000、酸価:45mg-KOH/g)10質量部、界面活性剤として、オレイン酸カリウム3質量部を混合した。この混合物を2軸スクリュー押出機(池貝鉄工株式会社製、PCM-30,L/D=40)のホッパーより3000g/時間の速度で供給し、同押出機のベント部に設けた供給口より、20%の水酸化カリウム水溶液を90g/時間の割合で連続的に供給し、加熱温度210℃で連続的に押出した。押出した樹脂混合物を、同押出機口に設置したジャケット付きスタティックミキサーで110℃まで冷却し、さらに80℃の温水中に投入してエマルションを得た。得られたエマルションは固形分濃度が45%であった。
ブテン系樹脂として、公知のマグネシウム化合物担持型チタン触媒を用いてショアD硬度が65、ASTM1238規格に従い、190℃、2.16kg荷重の条件で測定したメルトフローレイト(MFR)が0.5g/10分であるブテン単独重合体を100質量部、プロピレン系樹脂の原料として、無水マレイン酸変性プロピレン系重合体(重量平均分子量Mw=20,000、酸価:45mg-KOH/g)10質量部、界面活性剤として、オレイン酸カリウム3質量部を混合した。この混合物を2軸スクリュー押出機(池貝鉄工株式会社製、PCM-30,L/D=40)のホッパーより3000g/時間の速度で供給し、同押出機のベント部に設けた供給口より、20%の水酸化カリウム水溶液を90g/時間の割合で連続的に供給し、加熱温度210℃で連続的に押出した。押出した樹脂混合物を、同押出機口に設置したジャケット付きスタティックミキサーで110℃まで冷却し、さらに80℃の温水中に投入してエマルションを得た。得られたエマルションは固形分濃度が45%であった。
なお、この無水マレイン酸変性プロピレン系樹脂は、プロピレン系重合体96質量部、無水マレイン酸4質量部、及び重合開始剤(日本油脂株式会社製、パーヘキサ(登録商標)25B)0.4質量部を混合し、加熱温度160℃、2時間で変性を行って得られた。
<製造例E2-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
製造例E1で製造したエマルションを、ローラー含浸法を用いて、強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.90質量%であった。
製造例E1で製造したエマルションを、ローラー含浸法を用いて、強化繊維(C)に付着させた。次いで、オンラインで130℃、2分乾燥して低沸点成分を除去し、強化繊維束を得た。エマルションの付着量は0.90質量%であった。
粘着性の結果は○(簡単に剥がれる)であった。炭素繊維束の毛羽立ち性は合格であった。界面せん断強度(IFSS)はマトリックス樹脂として、市販の未変性プロピレン樹脂(プライムポリマー社製、商品名プライムポリプロ(登録商標)J106MG)及び無水マレイン酸を0.5質量%グラフトした変性ポリプロピレン(ASTM D1238に準じて230℃で測定したメルトフローレートが9.1g/10分)の混合物(質量比95/5、Mw30万)を用いて測定した。IFSSは19.9MPaであった。開繊性は○(均一に繊維が広がる)であった。
次いで、この強化繊維束57質量部と、マトリックス樹脂として、市販の未変性プロピレン樹脂(プライムポリマー社製、プライムポリプロ(登録商標)J106MG)及び無水マレイン酸を0.5質量%グラフトした変性ポリプロピレン(ASTM D1238に準じて230℃で測定したメルトフローレートが9.1g/10分)の混合物(質量比95/5、Mw30万)43質量部とを含む樹脂組成物を調製し、常法によりシートを作製した(繊維体積分率Vf0.4)。これをスリッターにて切断加工し、幅12mm、厚さ150μmの繊維強化樹脂テープを得た。
<参考製造例E1-炭素繊維強化樹脂テープの製造>
市販のエポキシ系化合物を含む強化炭素繊維束を用いた以外は製造例E1と同様にして強化繊維束を得た。炭素繊維束は毛羽立ちがやや目立つ状態であった。IFSSは11MPaであった。粘着性は×(剥がれ難い)であった。開繊性は○(均一に繊維が広がる)であった。
市販のエポキシ系化合物を含む強化炭素繊維束を用いた以外は製造例E1と同様にして強化繊維束を得た。炭素繊維束は毛羽立ちがやや目立つ状態であった。IFSSは11MPaであった。粘着性は×(剥がれ難い)であった。開繊性は○(均一に繊維が広がる)であった。
上記の製造例E1及び参考製造例E1から分かる通り、製造例E1の強化繊維束は、少ない毛羽立ちと高い界面せん断強度とが両立した優れた性能を有していた。また、強化繊維束そのものの粘着性は低いので取扱い性に優れている。したがって、その強化繊維束を含む樹脂組成物も優れた強度や外観を有することが期待される。
<実施例E1>
酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20%)をスポイトでアルミ板(材質A1050P、幅60mm×長さ120mm×厚み1mm)の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A5で製造したカーボンブラック10%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せXP10Bの乾燥膜のうえからNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。この樹脂被膜の上に、出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドを装着したロボットを使用して、製造例E2で製造した幅12mmのテープを試験片の長さまでレーザープレースメント成形で融着させ、200mmの長さのテープをはみださせた状態のサンプルを得た。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。
酸変性ポリオレフィン(三井化学株式会社製、商品名XP10B、不揮発分20%)をスポイトでアルミ板(材質A1050P、幅60mm×長さ120mm×厚み1mm)の一端にライン状に載せ、No.6のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、製造例A5で製造したカーボンブラック10%を含む下地処理材を同じ様にスポイトでアルミ板の一端にライン状に載せXP10Bの乾燥膜のうえからNo.20のバーコーターにて塗工した。室温にて15分間乾燥後、200℃のオーブンに投入した。90秒後取り出し、室温まで放冷し、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。この樹脂被膜の上に、出力3kW、波長960~1070nmのダイオードレーザーをクローズドループ制御するAFPT社製“STWH INB”型巻取りヘッドを装着したロボットを使用して、製造例E2で製造した幅12mmのテープを試験片の長さまでレーザープレースメント成形で融着させ、200mmの長さのテープをはみださせた状態のサンプルを得た。レーザープレースメント成形のレーザー出力は900W、ヘッド移動速度は9m/分とした。
<実施例E2>
実施例E1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例E1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例E3>
実施例E1のカーボンブラック10%を含む下地処理材を、製造例A6で製造したカーボンブラック20%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例E1のカーボンブラック10%を含む下地処理材を、製造例A6で製造したカーボンブラック20%を含む下地処理材に変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<実施例E4>
実施例E3のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例E3のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、黒色の下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
<参考例E1>
実施例E1のカーボンブラック10%を含む下地処理材を酸変性ポリオレフィン分散体(R-300)に変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例1Eと同様のレーザープレースメント成形を行った。
実施例E1のカーボンブラック10%を含む下地処理材を酸変性ポリオレフィン分散体(R-300)に変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例1Eと同様のレーザープレースメント成形を行った。
<参考例E2>
参考例E1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
参考例E1のNo.20のバーコーターをNo.40のバーコーターに変更した以外は同様な作業を行い、透明な下地処理材が塗工されたアルミのテストピースを得た。そして実施例E1と同様のレーザープレースメント成形を行った。
以上の実施例E1~E4及び参考例E1~E2のサンプルに対して、実施例A1~A6及び参考例A1~A2と同じ方法で外観評価及び剥離試験を行った。結果を表3に示す。
表3に示す通り、実施例E1~E4のサンプルは樹脂の絞り出しや繊維の飛び出しが無く、表面平滑性や表面光沢も良好であった。なお、剥離試験後の剥離面を電子顕微鏡(日本電子株式会社製)で観察したところ、マトリックス樹脂部分の剥がれは無かった。すなわち剥離面は、強化繊維と樹脂との界面剥離や強化繊維の一部破断であった。
樹脂被膜にカーボンブラックを使用しなかった参考例E1及びE2のサンプルは、積層の際にテープが接着しなかった。さらに樹脂の絞り出しもあり、表面平滑性や表面光沢も若干劣っていた。
本発明の積層体は、金属部材と繊維強化樹脂組成物層とが強固に接着され、優れた表面性状と剥離強度を有しているので、取り扱い性に優れ、高い力学特性を有することが期待できる。このため、パイプ、圧力容器をはじめ種々の用途に展開できる。特に自動車部品、電気・電子部品、家庭・事務電気製品部品に好適である。
本発明の態様(1)において金属部材が薄肉の場合の積層体は種々の用途に展開できるが、特に自動車の外板(例えばボンネット)等の曲面を有する部材として用いる場合、非常に好適である。
本発明の態様(2)の積層体(積層型容器)は種々の用途に利用できるが、特に圧力容器として非常に有用である。積層型容器の具体例としては、高圧ガスタンク、医療用ガス容器、潜水用ボンベ、自動車車載用圧力容器が挙げられる。
本発明の態様(3)の積層体(回転体)は、種々の用途に利用できる。例えば、エンジン、モーターの回転部品、プーリー、フライホイール、トランスミッション装置、トルクコンバーダー、クラッチ部品、変速機、CVT装置、ファン、回転翼及びその他の回転体に好適である。
101 金属部材(鋼板)
102 繊維強化樹脂組成物層(炭素繊維強化樹脂テープ)
103 樹脂被膜
104 反りの高さ
105 変曲点
201 容器基材(圧力容器基材)
202 繊維強化樹脂組成物のテープ(炭素繊維強化樹脂テープ)
203 レーザー照射装置
204 フープ層
205 ヘリカル層
301、302、303、304、305 回転体
311 金属製回転体本体
312 樹脂被膜
313 繊維強化樹脂組成物層
324 非被覆部分
102 繊維強化樹脂組成物層(炭素繊維強化樹脂テープ)
103 樹脂被膜
104 反りの高さ
105 変曲点
201 容器基材(圧力容器基材)
202 繊維強化樹脂組成物のテープ(炭素繊維強化樹脂テープ)
203 レーザー照射装置
204 フープ層
205 ヘリカル層
301、302、303、304、305 回転体
311 金属製回転体本体
312 樹脂被膜
313 繊維強化樹脂組成物層
324 非被覆部分
Claims (20)
- 金属部材に繊維強化樹脂組成物層を積層する工程を有する積層体の製造方法において、
該金属部材に樹脂被膜を形成する工程と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~300℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層を、前記樹脂被膜を介して積層する工程と
を有することを特徴とする積層体の製造方法。 - 繊維強化樹脂組成物が、波長が300~3000nmの光を吸収する色素(II)0.01~5質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)をさらに含む請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 成分(I)がカルボン酸基を含み、該カルボン酸基を含む構造単位の含有率が0.010~0.045質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)である請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 樹脂被膜が導電性粒子を含まない層を有する請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 繊維強化樹脂組成物層を、レーザー融着法により積層する請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 繊維強化樹脂組成物層を、樹脂被膜を介して金属部材に対し部分的に積層する請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の全体面積(Xm)と、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層された部分の面積(Xf)との比(Xm/Xf)が、5/1~50/1である請求項6に記載の積層体の製造方法。
- 金属部材の表面のうち、繊維強化樹脂組成物層が部分的に積層される側の金属部材の表面の最大幅が30~10000mmであり、繊維強化樹脂組成物層の幅(Wf)と、金属部材の該表面の幅(Wm)との比(Wf/Wm)が0.01~0.5である請求項6に記載の積層体の製造方法。
- 金属部材が、曲面形状を有する容器基材である請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 繊維強化樹脂組成物層を、フープ巻き及び/又はヘリカル巻きによって形成する請求項9に記載の積層体の製造方法。
- 金属部材が、金属製回転体本体である請求項1に記載の積層体の製造方法。
- 金属製回転体本体の少なくとも回転周縁部の外側の面に、繊維強化樹脂組成物層を積層する請求項11に記載の積層体の製造方法。
- 金属部材と、
該金属部材の表面に位置する樹脂被膜と、
(I)融点及び/又はガラス転移温度が50~250℃の重合体20~80質量%、及び
(C)強化繊維20~80質量%
を含む繊維強化樹脂組成物(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)を含む繊維強化樹脂組成物層と
を有する積層体。 - 繊維強化樹脂組成物が、波長が300~3000nmの光を吸収する色素(II)0.01~5質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)をさらに含む請求項13に記載の積層体。
- 成分(I)がカルボン酸基を含み、該カルボン酸基を含む構造単位の含有率が0.010~0.045質量%(但し、成分(I)と成分(C)の合計を100質量%とする)である請求項13に記載の積層体。
- 樹脂被膜が導電性粒子を含まない層を有する請求項13に記載の積層体。
- 繊維強化樹脂組成物が、テープワインディング成形用繊維強化樹脂組成物である請求項13に記載の積層体。
- 繊維強化樹脂組成物層が、樹脂被膜を介して金属部材に対し部分的に積層された層である請求項13に記載の積層体。
- 金属部材が、曲面形状を有する容器基材である請求項13に記載の積層体。
- 金属部材が、金属製回転体本体である請求項13に記載の積層体。
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