夹层层合体、夹层结构体和使用了该夹层结构体的一体化成型品及它们的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用了下述片状中间基材的夹层（sandwich)层合体及夹层结构体， 所述片状中间基材通过在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂而成；还涉及生产率、 轻质性、皮层和芯层的接合性优异的夹层结构体、一体化成型品及它们的制造方法。
【背景技术】
[0002] 由增强纤维和基体树脂形成的纤维增强塑料（FRP)由于轻质性、力学特性优异， 所以被广泛用于各种产业用途。其中，使用了热塑性树脂的FRP(CFRTP)除了上述轻质性、 力学特性以外，还能利用热塑性树脂特有的高速成型进行大量生产，而且，若为同一种基体 树脂则还能通过再恪融进行接合、粘接，因此，近年来特别受到关注。在这样的行情下，对于 使用了CFRTP的部件、结构体，作为市场要求，大多特别要求轻质性和生产率。因此，提出了 大量方案，即，作为具有夹层结构的层合体，芯层使用低密度的热塑性树脂来降低产品整体 的比重从而实现轻质化的手段，通过在夹层状结构体的内部设置空隙来降低产品整体的密 度、从而提供轻质性的技术；并且，正活跃地研究提供向所述具有空隙的芯层粘接、接合皮 层而成的夹层结构体的技术。
[0003] 在上述具有空隙的结构体中，用于实现轻质化的空隙会形成表面凹凸，受其影响， 有时产生下述问题，即，在皮层中表面部分的强度下降、无法确保设计性等问题。作为解决 所述问题的技术，公开了下述方法，即，在使成型品内部的空隙为特定范围的纤维增强热塑 性树脂成型品的表面层合、配置含有无机填料的片材，从而改善成型品的表面外观（专利 文献1)。然而，在所述技术中，有时产生下述问题，即，由于含有无机填料的片材和作为芯层 的片材的线膨胀系数、随之所伴生的成型收缩量不同，所以对于树脂种类的选择而言，原则 上必须使芯层和含有无机填料的片材具有同一或同样的线膨胀系数，从而使得在获得良好 外观的物品时可使用的范围窄；由于必须另行制作含有无机填料的片材，并且需要将其层 合配置于芯层上，所以生产率差。另一方面，公开了利用由空隙形成的表面凹凸、并利用粘 接剂将皮层粘接、接合于由增强纤维和热塑性树脂形成的具有空隙的复合片材（芯层）的 技术（专利文献2)。对于上述技术那样在皮层和芯层的接合中使用粘接剂的接合方法而 言，由于需要粘接剂的涂布工序、而且接合强度的界限取决于粘接剂的强度，所以有时会产 生接合部的可靠性无法获得满足等问题。
[0004] 专利文献1 :日本特开平4 一 232047号公报
[0005] 专利文献2 :日本特表2010 - 538863号公报
【发明内容】
[0006] 本发明的目的之一在于解决上述技术课题，提供一种夹层层合体，所述夹层层合 体即使作为皮层和芯层选择使用互不相容的热塑性树脂，在它们之间仍然具有牢固的接 合，能够容易地进行一体化，此外，本发明的另一目的在于提供一种适于获得后述夹层结构 体的夹层层合体，进而，本发明的又一目的在于提供一种皮层和芯层不受构成二者的热塑 性树脂的种类所限地均具有牢固的接合、且满足轻质性的夹层结构体、一体化成型品。
[0007] 为了解决所述课题，本发明的夹层层合体具有下述任意构成。
[0008] ?-种夹层层合体，是将在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂而得的片状 中间基材用于皮形成层及芯形成层而成的，其中，至少用于芯形成层的片状中间基材具有 热膨胀性，构成皮形成层的热塑性树脂（A)的可使用温度区域与构成芯形成层的热塑性树 脂（B)的可使用温度区域有5°C以上的温度范围重叠，并且热塑性树脂（A)在热塑性树脂 (B)的可使用温度区域的下限处具有不熔融的温度区域。
[0009] ?-种夹层层合体，是将在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂（B)而得的 片状中间基材用于芯形成层、并将在连续的增强纤维中含浸热塑性树脂（A)而得的片状中 间基材用于皮形成层而成的，其中，至少用于芯形成层的片状中间基材具有热膨胀性，构成 皮形成层的热塑性树脂（A)的可使用温度区域与构成芯形成层的热塑性树脂（B)的可使用 温度区域有5°C以上的温度范围重叠，并且热塑性树脂（A)在热塑性树脂（B)的可使用温度 区域的下限处具有不熔融的温度区域。
[0010] 此外，为了解决所述课题，本发明的夹层结构体具有下述任意构成。
[0011] ?-种夹层结构体，是将在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂而得的片状 中间基材用于皮层及芯层而成的，其中，构成皮层的热塑性树脂（A)和构成芯层的热塑性 树脂（B)以具有最大高度Ry为50ym以上、平均粗糙度Rz为30ym以上的凹凸形状的方 式形成界面层，并且，所述芯层形成以经热塑性树脂（B)被覆的增强纤维作为支承体而构 成的具有连续空隙的结构。
[0012] ?-种夹层结构体，是将在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂而得的片状 中间基材用于芯层、并将在连续的增强纤维中含浸热塑性树脂而得的片状中间基材用于皮 层而成的，其中，构成皮层的热塑性树脂（A)和构成芯层的热塑性树脂（B)以具有最大高度 Ry为50ym以上、平均粗糙度Rz为30ym以上的凹凸形状的方式形成界面层，并且，所述芯 层形成以经热塑性树脂（B)被覆的增强纤维作为支承体而构成的具有连续空隙的结构。
[0013] -种夹层结构体，是将在由增强纤维形成的垫片中含浸热塑性树脂而得的片状中 间基材用于芯层，并将在连续的增强纤维中含浸热塑性树脂而得的片状中间基材用于皮层 而成的，其中，构成皮层的热塑性树脂（A)和构成芯层的热塑性树脂（B)以具有最大高度Ry 为50ym以上、平均粗糙度Rz为30ym以上的凹凸形状的方式形成界面层，并且，所述芯层 形成以经热塑性树脂（B)被覆的增强纤维作为支承体而构成的具有连续空隙的结构。
[0014] 此外，为了解决所述课题，本发明的夹层结构体的制造方法具有下述任意构成。
[0015] ?-种夹层结构体的制造方法，对上述任意夹层层合体进行加热，使芯形成层以规 定膨胀倍率膨胀。
[0016] ?-种夹层结构体的制造方法，是制造上述任意夹层结构体的方法，至少具有以下 工序[1]及[2]，
[0017] 工序[1]:在已加热至热塑性树脂（A)及热塑性树脂（B)分别熔融或软化的温度 以上的状态下赋予压力，使热塑性树脂（A)含浸在由增强纤维形成的垫片或连续的增强纤 维中从而形成皮形成层，使热塑性树脂（B)含浸在由增强纤维形成的垫片中从而形成芯形 成层，
[0018] 工序[2]:接着，在对皮形成层及芯形成层加热的状态下调整厚度，由此使芯形成 层膨胀。
[0019] 此外，为了解决所述课题，本发明的一体化成型品具有下述构成。
[0020] ?-种一体化成型品，是将由上述任意夹层结构体、或利用上述制造方法制造的夹 层结构体形成的第一部件和由其他成型体形成的第二部件接合而成的。
[0021] 进而，为了解决所述课题，本发明的一体化成型品的制造方法具有下述任意构成。
[0022] ?-种一体化成型品的制造方法，是制造上述一体化成型品的方法，其中，第二部 件为利用注射成型而得的成型体，利用嵌件注塑成型或基体上注塑成型将第二部件与第一 部件接合。
[0023] ?-种一体化成型品的制造方法，是制造上述任意一体化成型品的方法，其中，第 二部件为利用加压成型而得的成型体，利用加压成型将第二部件与第一部件接合。
[0024] 根据本发明的夹层层合体，对于用于皮形成层和芯形成层的热塑性树脂而言，即 使在并用各种缺乏粘接性的热塑性树脂的情况下，也能够以高生产率获得接合性优异的夹 层层合体。此外，所述夹层层合体可适用于获得本发明的夹层结构体。进而，根据本发明 的夹层结构体，由于满足轻质性，并且皮层和芯层通过凹凸结构被牢固地接合，所以无需使 用粘接剂等接合介质即可制成不同的热塑性树脂被牢固地接合的状态的夹层结构体。此 外，对于使用了所述夹层结构体的一体化成型品而言，能够通过赋予基于各种树脂特性的 功能，而成为附加价值高的一体化成型品。进而，所述夹层结构体或一体化成型品因使用热 塑性树脂而具有高生产率。根据上述效果，本发明的一体化成型品适合用作汽车部件、电 气?电子设备外壳、航空器部件等用途中的安装部件。
【附图说明】
[0025] 图1是表示本发明的夹层层合体的界面层的一例的示意图。
[0026] 图2是表示本发明的夹层层合体的界面层的一例的、未图示增强纤维时的示意 图。
[0027] 图3是表示本发明所使用的由增强纤维形成的垫片中的增强纤维的分散状态的 一例的示意图。
[0028] 图4是表示本发明的夹层层合体在面方向及厚度方向上的截面的一例的示意图。
[0029] 图5是表示本发明的实施例及比较例所使用的拉伸剪切接合试验片的立体图。
[0030] 图6是表示本发明的夹层结构体的截面的一例的示意图。
[0031] 图7是本发明的实施例及比较例中所得的一体化成型品的立体图。
[0032] 图8是本发明的实施例及比较例中所得的一体化成型品的立体图。
[0033] 图9是表示本发明的实施例及比较例中所得的一体化成型品的拉伸剪切接合试 验片的立体图。
【具体实施方式】
[0034] 在本发明中，使用包含由增强纤维形成的垫片（以下，也称为增强纤维垫片）的片 状中间基材。此处，所谓增强纤维垫片，是指由增强纤维构成的面状体，除增强纤维之外还 可以含有粉末状、纤维状的树脂成分。所述增强纤维垫片具有作为含浸介质的功能，所述含 浸介质用于形成热塑性树脂（A)及热塑性树脂（B)彼此锚定（anchoring)的界面层。
[0035] 从热塑性树脂向增强纤维垫片含浸的容易性的观点、及使增强纤维垫片所带来的 对热塑性树脂的锚定效果进一步提高、接合性优异的观点考虑，本发明中的增强纤维垫片 优选为无纺布状的形态。进而，通过使增强纤维垫片具有无纺布状的形态，能够容易地含浸 通常呈高粘度的热塑性树脂。此处，所谓无纺布状的形态，是指增强纤维的线束及/或单丝 无规则性地分散成面状的形态，可列举出短切线束垫片（choppedstrandmat)、连续线束垫 片（continuousstrandmat)、抄纸垫片、梳棉垫片（cardingmat)、气流成网垫片（air-laid mat)等。
[0036] 本发明中的第一夹层层合体是将在增强纤维垫片中含浸热塑性树脂而得的片状 中间基材用于皮形成层及芯形成层而成的。
[0037] 此外，本发明中的第二夹层层合体是将在增强纤维垫片中含浸热塑性树脂而得的 片状中间基材用于芯形成层、并将在连续的增强纤维中含浸热塑性树脂而得的片状中间基 材用于皮形成层而成的。
[0038] 此处，所谓连续的增强纤维，是指至少在单向上以IOOmm以上的长度连续的增强 纤维，其多根沿单向排列而成的聚集体、即所谓的增强纤维束，在夹层层合体的全长范围内 连续。作为由连续的增强纤维形成的片状中间基材的形态，可以是由多根增强纤维束（其 由连续的增强纤维形成）构成的布帛（cloth)、多根连续的增强纤维沿单向排列而成的增 强纤维束（单向性纤维束）、由所述单向性纤维束构成的单向性布帛等。增强纤维可以由复 数根相同形态的纤维束构成，或者可以由复数根不同形态的纤维束构成。构成一个增强纤 维束的增强纤维数通常为300~48, 000,如果考虑预浸料坯的制造、布帛的制造，则优选为 300 ~24, 000,更优选为 1，000 ~12, 000。
[0039] 此外，为了控制力学特性，优选使用改变增强纤维的方向地进行层合的形态。为了 有效地提高夹层层合体的弹性模量、强度，特别优选使用将纤维束在单向上并拢而得的连 续的增强纤维（称为UD)。
[0040] 构成皮形成层的热塑性树脂（A)的可使用温度区域（TA1~TA2)及构成芯形成 层的热塑性树脂（B)的可使用温度区域（TB1~TB2)至少有5°C以上的温度范围重叠。就 满足这些条件的夹层层合体而言，能够在单一的温度条件下进行制造，除此之外，在使用所 述夹层层合体来制造夹层结构体、一体化成型品的情况下也能在单一的温度条件下进行加 工，通过缩减制造工时、扩大工艺窗口（processwindow)从而使生产率提高。因此，对于重 叠的温度范围而言，其幅度越宽越好，优选为15°C以上，更优选为30°C以上的程度。
[0041] 进而，热塑性树脂（A)的可使用温度区域（TA1~TA2)及热塑性树脂（B)的可使 用温度区域（TB1~TB2)可以采用按照以下标准所得的值。作为使用下限温度TA1、TB1，在 为结晶性的热塑性树脂的情况下，使用按照JISK7120(1987)所测得的熔点，在为非晶性的 热塑性树脂的情况下，使用将按照JISK7206(1999)所测得的维卡软化温度加上100°C而得 的温度。此外，作为使用上限温度TA2、TB2,使用下述温度，S卩，在按照JISK7120(1987)所测 得的热减量曲线中，从确认到由基线的重量减少1%重量的温度（开始减量点）减去50°C 而得的温度。
[0042] 对于本发明的夹层层合体而言，用于芯形成层的片状中间基材具有热膨胀性。所 谓热膨胀性，是指通过将片状中间基材加热至构成其的热塑性树脂的熔点以上，从而使因 加压而呈压缩状态的片状中间基材内的增强纤维通过源自增强纤维的弹性模量的起毛力 而膨胀。由此，形成具有空隙的结构，芯形成层能够在增强纤维和热塑性树脂的特性允许的 范围内自由地控制厚度。
[0043] 另一方面，作为不具有热膨胀性的片状中间基材，可列举出垫片不呈无纺布形态 的形态。具体而言，为增强纤维沿单向排列而成的片材基材、织物基材、非卷曲（non-crimp) 基材等。对于上述形态的基材而言，由于在片状中间基材中增强纤维被配置成平面状，所以 由增强纤维产生的起毛力小，无法具有能够满足轻质性（其为本发明的效果之一）程度的 热膨胀性。换言之，增强纤维垫片具有无纺布的形态时，便具有为了呈现出本发明的效果而 优选的热膨胀性。这是因为，构成无纺布的增强纤维通常分散成后述的单丝/大致单丝状， 由此增强纤维能够沿片状中间基材的厚度方向取向，能够有效利用增强纤维的弹性模量。 从所述热膨胀性的自由度的观点考虑，对于由增强纤维形成的无纺布而言，优选由细纤度 线束（构成其的增强纤维单丝小于500根）构成。
[0044] 本发明的夹层层合体的垫片中所含有的增强纤维优选贯穿由构成皮形成层的热 塑性树脂（A