夾層層合體、夾層結(jié)構(gòu)體和使用了該夾層結(jié)構(gòu)體的一體化成型品及它們的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用了下述片狀中間基材的夾層（sandwich)層合體及夾層結(jié)構(gòu)體， 所述片狀中間基材通過在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而成；還涉及生產(chǎn)率、 輕質(zhì)性、皮層和芯層的接合性優(yōu)異的夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型品及它們的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由增強(qiáng)纖維和基體樹脂形成的纖維增強(qiáng)塑料（FRP)由于輕質(zhì)性、力學(xué)特性優(yōu)異， 所以被廣泛用于各種產(chǎn)業(yè)用途。其中，使用了熱塑性樹脂的FRP(CFRTP)除了上述輕質(zhì)性、 力學(xué)特性以外，還能利用熱塑性樹脂特有的高速成型進(jìn)行大量生產(chǎn)，而且，若為同一種基體 樹脂則還能通過再恪融進(jìn)行接合、粘接，因此，近年來特別受到關(guān)注。在這樣的行情下，對于 使用了CFRTP的部件、結(jié)構(gòu)體，作為市場要求，大多特別要求輕質(zhì)性和生產(chǎn)率。因此，提出了 大量方案，即，作為具有夾層結(jié)構(gòu)的層合體，芯層使用低密度的熱塑性樹脂來降低產(chǎn)品整體 的比重從而實現(xiàn)輕質(zhì)化的手段，通過在夾層狀結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部設(shè)置空隙來降低產(chǎn)品整體的密 度、從而提供輕質(zhì)性的技術(shù)；并且，正活躍地研究提供向所述具有空隙的芯層粘接、接合皮 層而成的夾層結(jié)構(gòu)體的技術(shù)。
[0003] 在上述具有空隙的結(jié)構(gòu)體中，用于實現(xiàn)輕質(zhì)化的空隙會形成表面凹凸，受其影響， 有時產(chǎn)生下述問題，即，在皮層中表面部分的強(qiáng)度下降、無法確保設(shè)計性等問題。作為解決 所述問題的技術(shù)，公開了下述方法，即，在使成型品內(nèi)部的空隙為特定范圍的纖維增強(qiáng)熱塑 性樹脂成型品的表面層合、配置含有無機(jī)填料的片材，從而改善成型品的表面外觀（專利 文獻(xiàn)1)。然而，在所述技術(shù)中，有時產(chǎn)生下述問題，即，由于含有無機(jī)填料的片材和作為芯層 的片材的線膨脹系數(shù)、隨之所伴生的成型收縮量不同，所以對于樹脂種類的選擇而言，原則 上必須使芯層和含有無機(jī)填料的片材具有同一或同樣的線膨脹系數(shù)，從而使得在獲得良好 外觀的物品時可使用的范圍窄；由于必須另行制作含有無機(jī)填料的片材，并且需要將其層 合配置于芯層上，所以生產(chǎn)率差。另一方面，公開了利用由空隙形成的表面凹凸、并利用粘 接劑將皮層粘接、接合于由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹脂形成的具有空隙的復(fù)合片材（芯層）的 技術(shù)（專利文獻(xiàn)2)。對于上述技術(shù)那樣在皮層和芯層的接合中使用粘接劑的接合方法而 言，由于需要粘接劑的涂布工序、而且接合強(qiáng)度的界限取決于粘接劑的強(qiáng)度，所以有時會產(chǎn) 生接合部的可靠性無法獲得滿足等問題。
[0004] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開平4 一 232047號公報
[0005] 專利文獻(xiàn)2 :日本特表2010 - 538863號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一在于解決上述技術(shù)課題，提供一種夾層層合體，所述夾層層合 體即使作為皮層和芯層選擇使用互不相容的熱塑性樹脂，在它們之間仍然具有牢固的接 合，能夠容易地進(jìn)行一體化，此外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種適于獲得后述夾層結(jié)構(gòu) 體的夾層層合體，進(jìn)而，本發(fā)明的又一目的在于提供一種皮層和芯層不受構(gòu)成二者的熱塑 性樹脂的種類所限地均具有牢固的接合、且滿足輕質(zhì)性的夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型品。
[0007] 為了解決所述課題，本發(fā)明的夾層層合體具有下述任意構(gòu)成。
[0008] ?-種夾層層合體，是將在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而得的片狀 中間基材用于皮形成層及芯形成層而成的，其中，至少用于芯形成層的片狀中間基材具有 熱膨脹性，構(gòu)成皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區(qū)域與構(gòu)成芯形成層的熱塑性樹 脂（B)的可使用溫度區(qū)域有5°C以上的溫度范圍重疊，并且熱塑性樹脂（A)在熱塑性樹脂 (B)的可使用溫度區(qū)域的下限處具有不熔融的溫度區(qū)域。
[0009] ?-種夾層層合體，是將在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂（B)而得的 片狀中間基材用于芯形成層、并將在連續(xù)的增強(qiáng)纖維中含浸熱塑性樹脂（A)而得的片狀中 間基材用于皮形成層而成的，其中，至少用于芯形成層的片狀中間基材具有熱膨脹性，構(gòu)成 皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區(qū)域與構(gòu)成芯形成層的熱塑性樹脂（B)的可使用 溫度區(qū)域有5°C以上的溫度范圍重疊，并且熱塑性樹脂（A)在熱塑性樹脂（B)的可使用溫度 區(qū)域的下限處具有不熔融的溫度區(qū)域。
[0010] 此外，為了解決所述課題，本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體具有下述任意構(gòu)成。
[0011] ?-種夾層結(jié)構(gòu)體，是將在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而得的片狀 中間基材用于皮層及芯層而成的，其中，構(gòu)成皮層的熱塑性樹脂（A)和構(gòu)成芯層的熱塑性 樹脂（B)以具有最大高度Ry為50ym以上、平均粗糙度Rz為30ym以上的凹凸形狀的方 式形成界面層，并且，所述芯層形成以經(jīng)熱塑性樹脂（B)被覆的增強(qiáng)纖維作為支承體而構(gòu) 成的具有連續(xù)空隙的結(jié)構(gòu)。
[0012] ?-種夾層結(jié)構(gòu)體，是將在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而得的片狀 中間基材用于芯層、并將在連續(xù)的增強(qiáng)纖維中含浸熱塑性樹脂而得的片狀中間基材用于皮 層而成的，其中，構(gòu)成皮層的熱塑性樹脂（A)和構(gòu)成芯層的熱塑性樹脂（B)以具有最大高度 Ry為50ym以上、平均粗糙度Rz為30ym以上的凹凸形狀的方式形成界面層，并且，所述芯 層形成以經(jīng)熱塑性樹脂（B)被覆的增強(qiáng)纖維作為支承體而構(gòu)成的具有連續(xù)空隙的結(jié)構(gòu)。
[0013] -種夾層結(jié)構(gòu)體，是將在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而得的片狀中 間基材用于芯層，并將在連續(xù)的增強(qiáng)纖維中含浸熱塑性樹脂而得的片狀中間基材用于皮層 而成的，其中，構(gòu)成皮層的熱塑性樹脂（A)和構(gòu)成芯層的熱塑性樹脂（B)以具有最大高度Ry 為50ym以上、平均粗糙度Rz為30ym以上的凹凸形狀的方式形成界面層，并且，所述芯層 形成以經(jīng)熱塑性樹脂（B)被覆的增強(qiáng)纖維作為支承體而構(gòu)成的具有連續(xù)空隙的結(jié)構(gòu)。
[0014] 此外，為了解決所述課題，本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法具有下述任意構(gòu)成。
[0015] ?-種夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法，對上述任意夾層層合體進(jìn)行加熱，使芯形成層以規(guī) 定膨脹倍率膨脹。
[0016] ?-種夾層結(jié)構(gòu)體的制造方法，是制造上述任意夾層結(jié)構(gòu)體的方法，至少具有以下 工序[1]及[2]，
[0017] 工序[1]:在已加熱至熱塑性樹脂（A)及熱塑性樹脂（B)分別熔融或軟化的溫度 以上的狀態(tài)下賦予壓力，使熱塑性樹脂（A)含浸在由增強(qiáng)纖維形成的墊片或連續(xù)的增強(qiáng)纖 維中從而形成皮形成層，使熱塑性樹脂（B)含浸在由增強(qiáng)纖維形成的墊片中從而形成芯形 成層，
[0018] 工序[2]:接著，在對皮形成層及芯形成層加熱的狀態(tài)下調(diào)整厚度，由此使芯形成 層膨脹。
[0019] 此外，為了解決所述課題，本發(fā)明的一體化成型品具有下述構(gòu)成。
[0020] ?-種一體化成型品，是將由上述任意夾層結(jié)構(gòu)體、或利用上述制造方法制造的夾 層結(jié)構(gòu)體形成的第一部件和由其他成型體形成的第二部件接合而成的。
[0021] 進(jìn)而，為了解決所述課題，本發(fā)明的一體化成型品的制造方法具有下述任意構(gòu)成。
[0022] ?-種一體化成型品的制造方法，是制造上述一體化成型品的方法，其中，第二部 件為利用注射成型而得的成型體，利用嵌件注塑成型或基體上注塑成型將第二部件與第一 部件接合。
[0023] ?-種一體化成型品的制造方法，是制造上述任意一體化成型品的方法，其中，第 二部件為利用加壓成型而得的成型體，利用加壓成型將第二部件與第一部件接合。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的夾層層合體，對于用于皮形成層和芯形成層的熱塑性樹脂而言，即 使在并用各種缺乏粘接性的熱塑性樹脂的情況下，也能夠以高生產(chǎn)率獲得接合性優(yōu)異的夾 層層合體。此外，所述夾層層合體可適用于獲得本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體。進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明 的夾層結(jié)構(gòu)體，由于滿足輕質(zhì)性，并且皮層和芯層通過凹凸結(jié)構(gòu)被牢固地接合，所以無需使 用粘接劑等接合介質(zhì)即可制成不同的熱塑性樹脂被牢固地接合的狀態(tài)的夾層結(jié)構(gòu)體。此 外，對于使用了所述夾層結(jié)構(gòu)體的一體化成型品而言，能夠通過賦予基于各種樹脂特性的 功能，而成為附加價值高的一體化成型品。進(jìn)而，所述夾層結(jié)構(gòu)體或一體化成型品因使用熱 塑性樹脂而具有高生產(chǎn)率。根據(jù)上述效果，本發(fā)明的一體化成型品適合用作汽車部件、電 氣?電子設(shè)備外殼、航空器部件等用途中的安裝部件。
【附圖說明】
[0025] 圖1是表示本發(fā)明的夾層層合體的界面層的一例的示意圖。
[0026] 圖2是表示本發(fā)明的夾層層合體的界面層的一例的、未圖示增強(qiáng)纖維時的示意 圖。
[0027] 圖3是表示本發(fā)明所使用的由增強(qiáng)纖維形成的墊片中的增強(qiáng)纖維的分散狀態(tài)的 一例的示意圖。
[0028] 圖4是表示本發(fā)明的夾層層合體在面方向及厚度方向上的截面的一例的示意圖。
[0029] 圖5是表示本發(fā)明的實施例及比較例所使用的拉伸剪切接合試驗片的立體圖。
[0030] 圖6是表示本發(fā)明的夾層結(jié)構(gòu)體的截面的一例的示意圖。
[0031] 圖7是本發(fā)明的實施例及比較例中所得的一體化成型品的立體圖。
[0032] 圖8是本發(fā)明的實施例及比較例中所得的一體化成型品的立體圖。
[0033] 圖9是表示本發(fā)明的實施例及比較例中所得的一體化成型品的拉伸剪切接合試 驗片的立體圖。
【具體實施方式】
[0034] 在本發(fā)明中，使用包含由增強(qiáng)纖維形成的墊片（以下，也稱為增強(qiáng)纖維墊片）的片 狀中間基材。此處，所謂增強(qiáng)纖維墊片，是指由增強(qiáng)纖維構(gòu)成的面狀體，除增強(qiáng)纖維之外還 可以含有粉末狀、纖維狀的樹脂成分。所述增強(qiáng)纖維墊片具有作為含浸介質(zhì)的功能，所述含 浸介質(zhì)用于形成熱塑性樹脂（A)及熱塑性樹脂（B)彼此錨定（anchoring)的界面層。
[0035] 從熱塑性樹脂向增強(qiáng)纖維墊片含浸的容易性的觀點、及使增強(qiáng)纖維墊片所帶來的 對熱塑性樹脂的錨定效果進(jìn)一步提高、接合性優(yōu)異的觀點考慮，本發(fā)明中的增強(qiáng)纖維墊片 優(yōu)選為無紡布狀的形態(tài)。進(jìn)而，通過使增強(qiáng)纖維墊片具有無紡布狀的形態(tài)，能夠容易地含浸 通常呈高粘度的熱塑性樹脂。此處，所謂無紡布狀的形態(tài)，是指增強(qiáng)纖維的線束及/或單絲 無規(guī)則性地分散成面狀的形態(tài)，可列舉出短切線束墊片（choppedstrandmat)、連續(xù)線束墊 片（continuousstrandmat)、抄紙墊片、梳棉墊片（cardingmat)、氣流成網(wǎng)墊片（air-laid mat)等。
[0036] 本發(fā)明中的第一夾層層合體是將在增強(qiáng)纖維墊片中含浸熱塑性樹脂而得的片狀 中間基材用于皮形成層及芯形成層而成的。
[0037] 此外，本發(fā)明中的第二夾層層合體是將在增強(qiáng)纖維墊片中含浸熱塑性樹脂而得的 片狀中間基材用于芯形成層、并將在連續(xù)的增強(qiáng)纖維中含浸熱塑性樹脂而得的片狀中間基 材用于皮形成層而成的。
[0038] 此處，所謂連續(xù)的增強(qiáng)纖維，是指至少在單向上以IOOmm以上的長度連續(xù)的增強(qiáng) 纖維，其多根沿單向排列而成的聚集體、即所謂的增強(qiáng)纖維束，在夾層層合體的全長范圍內(nèi) 連續(xù)。作為由連續(xù)的增強(qiáng)纖維形成的片狀中間基材的形態(tài)，可以是由多根增強(qiáng)纖維束（其 由連續(xù)的增強(qiáng)纖維形成）構(gòu)成的布帛（cloth)、多根連續(xù)的增強(qiáng)纖維沿單向排列而成的增 強(qiáng)纖維束（單向性纖維束）、由所述單向性纖維束構(gòu)成的單向性布帛等。增強(qiáng)纖維可以由復(fù) 數(shù)根相同形態(tài)的纖維束構(gòu)成，或者可以由復(fù)數(shù)根不同形態(tài)的纖維束構(gòu)成。構(gòu)成一個增強(qiáng)纖 維束的增強(qiáng)纖維數(shù)通常為300~48, 000,如果考慮預(yù)浸料坯的制造、布帛的制造，則優(yōu)選為 300 ~24, 000,更優(yōu)選為 1，000 ~12, 000。
[0039] 此外，為了控制力學(xué)特性，優(yōu)選使用改變增強(qiáng)纖維的方向地進(jìn)行層合的形態(tài)。為了 有效地提高夾層層合體的彈性模量、強(qiáng)度，特別優(yōu)選使用將纖維束在單向上并攏而得的連 續(xù)的增強(qiáng)纖維（稱為UD)。
[0040] 構(gòu)成皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區(qū)域（TA1~TA2)及構(gòu)成芯形成 層的熱塑性樹脂（B)的可使用溫度區(qū)域（TB1~TB2)至少有5°C以上的溫度范圍重疊。就 滿足這些條件的夾層層合體而言，能夠在單一的溫度條件下進(jìn)行制造，除此之外，在使用所 述夾層層合體來制造夾層結(jié)構(gòu)體、一體化成型品的情況下也能在單一的溫度條件下進(jìn)行加 工，通過縮減制造工時、擴(kuò)大工藝窗口（processwindow)從而使生產(chǎn)率提高。因此，對于重 疊的溫度范圍而言，其幅度越寬越好，優(yōu)選為15°C以上，更優(yōu)選為30°C以上的程度。
[0041] 進(jìn)而，熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區(qū)域（TA1~TA2)及熱塑性樹脂（B)的可使 用溫度區(qū)域（TB1~TB2)可以采用按照以下標(biāo)準(zhǔn)所得的值。作為使用下限溫度TA1、TB1，在 為結(jié)晶性的熱塑性樹脂的情況下，使用按照J(rèn)ISK7120(1987)所測得的熔點，在為非晶性的 熱塑性樹脂的情況下，使用將按照J(rèn)ISK7206(1999)所測得的維卡軟化溫度加上100°C而得 的溫度。此外，作為使用上限溫度TA2、TB2,使用下述溫度，S卩，在按照J(rèn)ISK7120(1987)所測 得的熱減量曲線中，從確認(rèn)到由基線的重量減少1%重量的溫度（開始減量點）減去50°C 而得的溫度。
[0042] 對于本發(fā)明的夾層層合體而言，用于芯形成層的片狀中間基材具有熱膨脹性。所 謂熱膨脹性，是指通過將片狀中間基材加熱至構(gòu)成其的熱塑性樹脂的熔點以上，從而使因 加壓而呈壓縮狀態(tài)的片狀中間基材內(nèi)的增強(qiáng)纖維通過源自增強(qiáng)纖維的彈性模量的起毛力 而膨脹。由此，形成具有空隙的結(jié)構(gòu)，芯形成層能夠在增強(qiáng)纖維和熱塑性樹脂的特性允許的 范圍內(nèi)自由地控制厚度。
[0043] 另一方面，作為不具有熱膨脹性的片狀中間基材，可列舉出墊片不呈無紡布形態(tài) 的形態(tài)。具體而言，為增強(qiáng)纖維沿單向排列而成的片材基材、織物基材、非卷曲（non-crimp) 基材等。對于上述形態(tài)的基材而言，由于在片狀中間基材中增強(qiáng)纖維被配置成平面狀，所以 由增強(qiáng)纖維產(chǎn)生的起毛力小，無法具有能夠滿足輕質(zhì)性（其為本發(fā)明的效果之一）程度的 熱膨脹性。換言之，增強(qiáng)纖維墊片具有無紡布的形態(tài)時，便具有為了呈現(xiàn)出本發(fā)明的效果而 優(yōu)選的熱膨脹性。這是因為，構(gòu)成無紡布的增強(qiáng)纖維通常分散成后述的單絲/大致單絲狀， 由此增強(qiáng)纖維能夠沿片狀中間基材的厚度方向取向，能夠有效利用增強(qiáng)纖維的彈性模量。 從所述熱膨脹性的自由度的觀點考慮，對于由增強(qiáng)纖維形成的無紡布而言，優(yōu)選由細(xì)纖度 線束（構(gòu)成其的增強(qiáng)纖維單絲小于500根）構(gòu)成。
[0044] 本發(fā)明的夾層層合體的墊片中所含有的增強(qiáng)纖維優(yōu)選貫穿由構(gòu)成皮形成層的熱 塑性樹脂（A