夾層層合體、夾層結構體和使用了該夾層結構體的一體化成型品及它們的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及使用了下述片狀中間基材的夾層（sandwich)層合體及夾層結構體， 所述片狀中間基材通過在由增強纖維形成的墊片中含浸熱塑性樹脂而成；還涉及生產率、 輕質性、皮層和芯層的接合性優異的夾層結構體、一體化成型品及它們的制造方法。
【背景技術】
[0002] 由增強纖維和基體樹脂形成的纖維增強塑料（FRP)由于輕質性、力學特性優異， 所以被廣泛用于各種產業用途。其中，使用了熱塑性樹脂的FRP(CFRTP)除了上述輕質性、 力學特性以外，還能利用熱塑性樹脂特有的高速成型進行大量生產，而且，若為同一種基體 樹脂則還能通過再恪融進行接合、粘接，因此，近年來特別受到關注。在這樣的行情下，對于 使用了CFRTP的部件、結構體，作為市場要求，大多特別要求輕質性和生產率。因此，提出了 大量方案，即，作為具有夾層結構的層合體，芯層使用低密度的熱塑性樹脂來降低產品整體 的比重從而實現輕質化的手段，通過在夾層狀結構體的內部設置空隙來降低產品整體的密 度、從而提供輕質性的技術；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 層而成的夾層結構體的技術。
[0003] 在上述具有空隙的結構體中，用于實現輕質化的空隙會形成表面凹凸，受其影響， 有時產生下述問題，即，在皮層中表面部分的強度下降、無法確保設計性等問題。作為解決 所述問題的技術，公開了下述方法，即，在使成型品內部的空隙為特定范圍的纖維增強熱塑 性樹脂成型品的表面層合、配置含有無機填料的片材，從而改善成型品的表面外觀（專利 文獻1)。然而，在所述技術中，有時產生下述問題，即，由于含有無機填料的片材和作為芯層 的片材的線膨脹系數、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填料的片材具有同一或同樣的線膨脹系數，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填料的片材，并且需要將其層 合配置于芯層上，所以生產率差。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、接合于由增強纖維和熱塑性樹脂形成的具有空隙的復合片材（芯層）的 技術（專利文獻2)。對于上述技術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、而且接合強度的界限取決于粘接劑的強度，所以有時會產 生接合部的可靠性無法獲得滿足等問題。
[0004] 專利文獻1 :日本特開平4 一 232047號公報
[0005] 專利文獻2 :日本特表2010 - 538863號公報
【發明內容】
[0006] 本發明的目的之一在于解決上述技術課題，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，能夠容易地進行一體化，此外，本發明的另一目的在于提供一種適于獲得后述夾層結構 體的夾層層合體，進而，本發明的又一目的在于提供一種皮層和芯層不受構成二者的熱塑 性樹脂的種類所限地均具有牢固的接合、且滿足輕質性的夾層結構體、一體化成型品。
[0007] 為了解決所述課題，本發明的夾層層合體具有下述任意構成。
[0008] ?-種夾層層合體，是將在由增強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，構成皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區域與構成芯形成層的熱塑性樹 脂（B)的可使用溫度區域有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)的可使用溫度區域的下限處具有不熔融的溫度區域。
[0009] ?-種夾層層合體，是將在由增強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、并將在連續的增強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，構成 皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區域與構成芯形成層的熱塑性樹脂（B)的可使用 溫度區域有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 區域的下限處具有不熔融的溫度區域。
[0010] 此外，為了解決所述課題，本發明的夾層結構體具有下述任意構成。
[0011] ?-種夾層結構體，是將在由增強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，構成皮層的熱塑性樹脂（A)和構成芯層的熱塑性 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，所述芯層形成以經熱塑性樹脂（B)被覆的增強纖維作為支承體而構 成的具有連續空隙的結構。
[0012] ?-種夾層結構體，是將在由增強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、并將在連續的增強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，構成皮層的熱塑性樹脂（A)和構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 層形成以經熱塑性樹脂（B)被覆的增強纖維作為支承體而構成的具有連續空隙的結構。
[0013] -種夾層結構體，是將在由增強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，并將在連續的增強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，構成皮層的熱塑性樹脂（A)和構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 形成以經熱塑性樹脂（B)被覆的增強纖維作為支承體而構成的具有連續空隙的結構。
[0014] 此外，為了解決所述課題，本發明的夾層結構體的制造方法具有下述任意構成。
[0015] ?-種夾層結構體的制造方法，對上述任意夾層層合體進行加熱，使芯形成層以規 定膨脹倍率膨脹。
[0016] ?-種夾層結構體的制造方法，是制造上述任意夾層結構體的方法，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 以上的狀態下賦予壓力，使熱塑性樹脂（A)含浸在由增強纖維形成的墊片或連續的增強纖 維中從而形成皮形成層，使熱塑性樹脂（B)含浸在由增強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下調整厚度，由此使芯形成 層膨脹。
[0019] 此外，為了解決所述課題，本發明的一體化成型品具有下述構成。
[0020] ?-種一體化成型品，是將由上述任意夾層結構體、或利用上述制造方法制造的夾 層結構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] 進而，為了解決所述課題，本發明的一體化成型品的制造方法具有下述任意構成。
[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] 根據本發明的夾層層合體，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，也能夠以高生產率獲得接合性優異的夾 層層合體。此外，所述夾層層合體可適用于獲得本發明的夾層結構體。進而，根據本發明 的夾層結構體，由于滿足輕質性，并且皮層和芯層通過凹凸結構被牢固地接合，所以無需使 用粘接劑等接合介質即可制成不同的熱塑性樹脂被牢固地接合的狀態的夾層結構體。此 外，對于使用了所述夾層結構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。進而，所述夾層結構體或一體化成型品因使用熱 塑性樹脂而具有高生產率。根據上述效果，本發明的一體化成型品適合用作汽車部件、電 氣?電子設備外殼、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是表示本發明的夾層層合體的界面層的一例的、未圖示增強纖維時的示意 圖。
[0027] 圖3是表示本發明所使用的由增強纖維形成的墊片中的增強纖維的分散狀態的 一例的示意圖。
[0028] 圖4是表示本發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是表示本發明的夾層結構體的截面的一例的示意圖。
[0031] 圖7是本發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] 在本發明中，使用包含由增強纖維形成的墊片（以下，也稱為增強纖維墊片）的片 狀中間基材。此處，所謂增強纖維墊片，是指由增強纖維構成的面狀體，除增強纖維之外還 可以含有粉末狀、纖維狀的樹脂成分。所述增強纖維墊片具有作為含浸介質的功能，所述含 浸介質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纖維墊片含浸的容易性的觀點、及使增強纖維墊片所帶來的 對熱塑性樹脂的錨定效果進一步提高、接合性優異的觀點考慮，本發明中的增強纖維墊片 優選為無紡布狀的形態。進而，通過使增強纖維墊片具有無紡布狀的形態，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，是指增強纖維的線束及/或單絲 無規則性地分散成面狀的形態，可列舉出短切線束墊片（choppedstrandmat)、連續線束墊 片（continuousstrandmat)、抄紙墊片、梳棉墊片（cardingmat)、氣流成網墊片（air-laid mat)等。
[0036] 本發明中的第一夾層層合體是將在增強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，本發明中的第二夾層層合體是將在增強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、并將在連續的增強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，所謂連續的增強纖維，是指至少在單向上以IOOmm以上的長度連續的增強 纖維，其多根沿單向排列而成的聚集體、即所謂的增強纖維束，在夾層層合體的全長范圍內 連續。作為由連續的增強纖維形成的片狀中間基材的形態，可以是由多根增強纖維束（其 由連續的增強纖維形成）構成的布帛（cloth)、多根連續的增強纖維沿單向排列而成的增 強纖維束（單向性纖維束）、由所述單向性纖維束構成的單向性布帛等。增強纖維可以由復 數根相同形態的纖維束構成，或者可以由復數根不同形態的纖維束構成。構成一個增強纖 維束的增強纖維數通常為300~48, 000,如果考慮預浸料坯的制造、布帛的制造，則優選為 300 ~24, 000,更優選為 1，000 ~12, 000。
[0039] 此外，為了控制力學特性，優選使用改變增強纖維的方向地進行層合的形態。為了 有效地提高夾層層合體的彈性模量、強度，特別優選使用將纖維束在單向上并攏而得的連 續的增強纖維（稱為UD)。
[0040] 構成皮形成層的熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區域（TA1~TA2)及構成芯形成 層的熱塑性樹脂（B)的可使用溫度區域（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行制造，除此之外，在使用所 述夾層層合體來制造夾層結構體、一體化成型品的情況下也能在單一的溫度條件下進行加 工，通過縮減制造工時、擴大工藝窗口（processwindow)從而使生產率提高。因此，對于重 疊的溫度范圍而言，其幅度越寬越好，優選為15°C以上，更優選為30°C以上的程度。
[0041] 進而，熱塑性樹脂（A)的可使用溫度區域（TA1~TA2)及熱塑性樹脂（B)的可使 用溫度區域（TB1~TB2)可以采用按照以下標準所得的值。作為使用下限溫度TA1、TB1，在 為結晶性的熱塑性樹脂的情況下，使用按照JISK7120(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JISK7206(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JISK7120(1987)所測 得的熱減量曲線中，從確認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 加壓而呈壓縮狀態的片狀中間基材內的增強纖維通過源自增強纖維的彈性模量的起毛力 而膨脹。由此，形成具有空隙的結構，芯形成層能夠在增強纖維和熱塑性樹脂的特性允許的 范圍內自由地控制厚度。
[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 的形態。具體而言，為增強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。對于上述形態的基材而言，由于在片狀中間基材中增強纖維被配置成平面狀，所以 由增強纖維產生的起毛力小，無法具有能夠滿足輕質性（其為本發明的效果之一）程度的 熱膨脹性。換言之，增強纖維墊片具有無紡布的形態時，便具有為了呈現出本發明的效果而 優選的熱膨脹性。這是因為，構成無紡布的增強纖維通常分散成后述的單絲/大致單絲狀， 由此增強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，對于由增強纖維形成的無紡布而言，優選由細纖度 線束（構成其的增強纖維單絲小于500根）構成。
[0044] 本發明的夾層層合體的墊片中所含有的增強纖維優選貫穿由構成皮形成層的熱 塑性樹脂（A