JP7466248B1 - プレス成型用部材、その製造方法、及びプレス成型用部材を用いたバッテリーケースの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成型の時に繊維織物又は一方向繊維と金属箔とがずれずにプレスすることができ、熱伝導率が高く使用時に内部の熱を外へ放出しやすく、電磁波の遮蔽が可能である半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体、及びそれを加工して得られるバッテリーケース。【解決手段】少なくとも２枚以上の半硬化樹脂シートと、繊維織物又は一方向繊維と、金属箔とが積層され一体化されている金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間材料を含むプレス成型用部材。【選択図】図１

Description

本発明は、プレス成型用部材、プレス成型用部材を用いるバッテリーケース、及びそれらの製造方法に関する。

繊維と樹脂から構成される繊維強化樹脂材は、軽量で強度に優れることから、自動車部品、航空機部品、鉄道部品等、各種産業用途に幅広く使用されている。特にバッテリーで駆動する電気自動車は重いバッテリーを車載しており、ガソリン自動車に比べて長い距離を走行できないことから、電気自動車全体の重量を軽くすることが非常に重要である。

特許文献１は、炭素繊維をランダム分散状態で含有させた繊維強化樹脂材を用いて、電気自動車のバッテリーケースを製造することを開示している。

特開２０１２－１０９４５２号公報

従来の電気自動車のバッテリーケースは軽量化及び強度の観点から材料としてアルミニウムが用いられてきたが、強度の観点を考慮すると所定の厚さを有することが好ましく、その結果、アルミニウムだけでは十分軽量なものを得ることができない。

そこで、近年ではバッテリーケースの材料として、従来からアルミニウムの代わりに軽く、高強度な繊維強化複合材料の使用が検討されている。しかしながら、繊維強化複合材料は、電磁波の遮蔽効果が極めて低く、また、熱伝導度も低いため、バッテリーケースの内部の熱を外に放出しにくいというデメリットがある。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、半硬化樹脂シートと、織物もしくは一方向繊維と、金属箔とが積層され一体化させた金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料を用いることにより、プレス成型の時に繊維と金属箔とがずれずにプレスすることができることを発見した。さらに、プレス成型によって得られるバッテリーケースは熱伝導率が高いため、使用時に内部の熱を外へ放出しやすく、また、金属箔を用いることによりの電磁波の遮蔽が可能であるということを発見し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下を包含する。
［１］ 少なくとも２枚以上の半硬化樹脂シートと、繊維織物又は一方向繊維と、金属箔とが積層され一体化されている金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間材料を含むプレス成型用部材。
［２］ 前記半硬化樹脂シートの樹脂が熱硬化性エポキシ樹脂である、［１］に記載のプレス成型用部材。
［３］ 前記半硬化樹脂シートの樹脂が充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂である、［１］に記載のプレス成型用部材。
［４］ 前記金属箔は前記樹脂シートに接着するための接着シートを有する、［１］に記載のプレス成型部材。
［５］ 前記金属箔の表面に直線状の溝が設けられている、［１］に記載のプレス成型部材。
［６］ 前記繊維織物又は前記一方向繊維がガラス繊維である、［１］に記載のプレス成形用部材。
［７］ 前記繊維織物又は前記一方向繊維が炭素繊維である、［１］に記載のプレス成形用部材。
［８］ ［１］乃至［７］のいずれか一項に記載のプレス成型用材料を加熱プレス成型する工程を含むバッテリーケースの製造方法であって、前記金属箔側はバッテリーケースの内側に配置される、バッテリーケースの製造方法。
［９］ ［１］に記載の前記金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料は、ダブルベルト方式で一体化される工程を含む、プレス成型用部材の製造方法。

バッテリーケースなどの自動車に用いられる部材は、平らな部分と複雑な形状をした部分が複合化している。複雑形状用の材料としては、半硬化樹脂繊維強化複合材料のひとつである短繊維を用いたＳＭＣの様な材料がその代表であるが、軽量化効果や強度などが不十分で有り、補うために長繊維系の半硬化繊維強化複合材料であるプリプレグを積層する技術も進められている。２つの半硬化樹脂シートを積層する場合、金属との界面がずれ期待する性能が発現しないことが課題となる場合がある。長繊維系金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体である、半硬化樹脂シートと、繊維織物又は一方向繊維と、金属箔とが積層され一体化されている中間材料を用いることにより、プレス成型プロセスにおいて、金属箔の効果により界面や繊維がずれずにプレスすることができ、また、プレスによって得られる金属箔を含有したプレス成型用部材を硬化した材料により構成されるバッテリーケースは、連続した金属層を備えるため熱伝導率が高く、使用時に内部の熱を外へ放出しやすい。プロセスにおいても、性能においても、部材として課題を解決する効果が大きい。

図１は、第一態様である金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ａの断面図である。 図２は、第二態様である金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ｂの断面図である。 図３は、第三態様である金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ｃの断面図である。 図４は、金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ａの製造工程を説明する模式図である。 図５は、金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体の金属箔面に設けられた溝９を示す模式図である。 図６は、繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａの製造工程を説明する模式図である。 図７は、繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａをプレス成型することで得られるバッテリーケースの材料の一例である。

［半硬化繊維強化複合材料中間体］
図１は、本発明の第一態様である金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの断面図である。金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａは、上から、半硬化樹脂シート５、繊維織物４、半硬化樹脂シート５、接着シート３、金属箔２をこの順に積層したものである。

このような構成の金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａは、接着シート３によって繊維強化樹脂層５と金属箔２がしっかりと接着されているため、プレス成型の時に繊維織物４と金属箔２とがずれずにプレスすることができる。

金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａをプレス成型によって得られる繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを含むバッテリーケースは、金属箔２が用いられているため熱伝導率が高く、使用時に内部の熱を外へ放出しやすい他、電磁波遮蔽効果がある。

金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの樹脂層５を構成する樹脂とは、加熱プレスをすることにより、繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを製造することができる材料であれば特に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれでもよいが、成型のしやすさ、成型済金属複合体１１Ａの用途から、熱硬化性樹脂であることが好ましい。
使用できる樹脂の具体例としては、熱硬化性又は熱可塑性エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、塩化ビニール樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数混合して用いてもよい。
なお、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの状態では、樹脂は半硬化状態であるが、バッテリーケースの製造のため加熱プレスするときに硬化する。

ここで樹脂の半硬化状態とは、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの製造において、樹脂中の硬化が始まる温度より低い温度で処理した状態を指す。半硬化であり、完全に硬化していないため、加熱プレスにより所定の形状に成型可能な状態である。

繊維織物４とは、繊維を平織又は綾織することにより、生地のようにシート状にしたものである。繊維織物４の繊維としては、加熱プレスで成型できる材料であれば特に限定されるものではなく、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維（化学繊維および天然繊維）、ポリビニルアルコール系繊維、ポリエステル系繊維、ポリアミド系繊維、ポリエチレン系繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維などが挙げられる。ガラス繊維としては、Ｅガラス、Ｓガラス、Ｄガラス、Ｑガラス等を用いたガラス繊維が挙げられる。また、ポリアクリルニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維とピッチを原料とするピッチ系炭素繊維等を用いることが出来る。プリプレグ中の炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維が好ましいが、それに限定されるものではない。

また、繊維織物４の厚さとしては、０．１ｍｍ～０．５ｍｍの厚さの炭素繊維材又はガラス繊維が好ましいが、それに限定されるものではない。
実施例では、繊維織物を用いた例を挙げたが、繊維織物４だけでなく、一方向繊維（ガラスウールを除く）を用いてもよい。

なお、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａにおける２枚の半硬化樹脂シート５と繊維織物４とは、市販されているプリプレグ（２層の樹脂層とそれに挟まれた平織又は綾織繊維で構成されたプリプレグ）を用いてもよい。当該プリプレグを用いた態様であっても、得られる積層体は、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体に含まれるものとする。

金属層２を構成する金属とは、室温～３００℃で安定した金属でれば特に限定されるものではなく、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、鋼、銅、銅合金などが挙げられる。アルミニウム合金としては、Ａｌ－Ｍｇ系であるＡ５０５２等の５０００番台やＡｌ－Ｃｕ系であるＡ２０１４等の２０００番台、ダイカスト用のＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ系合金（ＪＩＳ規格 ＡＤＣ１２やＡＤＣ１０等）などを用いることができるが、これに限定されない。
金属層２の厚みは通常、０．０２～２ｍｍであり、特に０．０５～１．５ｍｍ程度が好適である。プレス成型により所望の形状に容易に形成するために好適である。また、金属層２の厚みが０．０２ｍｍよりも小さいと磁界シールド性が低Ｈｚ領域（特に１０ＭＨｚ以下）で低下する場合がある。金属層２の厚みが過度に大きいと金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの重量が大きくなる場合がある。

接着シート３は、繊維織物４を含む半硬化樹脂シート５と、金属箔２とを接着させるためのものである。従来技術では、樹脂に含浸した繊維織物と金属箔を単に重ねて、押圧することによりプレス済積層体としていたが、この場合、プレス時に樹脂と金属箔とがずれてしまい、所望のプレス済積層体を得ることが難しく、事実上実施ができなかった。金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ａでは、繊維織物４と金属箔２とが接着シート３でしっかり接着されて一体化されているため、金属層２がずれることがなく、加熱プレスにより所望の繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを製造することができる

接着シート３の接着成分の材料としては特に限定されないが、エポキシ、アクリル、ウレタン等が挙げられる。半硬化性樹脂５を、半硬化のままで金属層２に接着させるために、常温でも接着性を有する接着シートが好ましい。なお、接着シート３の代わりに液体状の接着剤を用いてもよいが、下記するダブルベルト方式により製造する場合は、接着シートを用いることが好ましい。

図２は、第二態様である金属箔含有半硬化樹脂維強化複合材料中間体１Ｂの断面図である。金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ｂは、上から、半硬化樹脂シート５、繊維織物４、半硬化樹脂シート５、繊維織物４、半硬化樹脂シート５、接着シート３、金属箔２を積層したものである。

すなわち、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ｂは、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａよりもさらに半硬化性樹脂５及び繊維織物４を積層させたものである。なお、図１及び図２の複数ある半硬化性樹脂５の厚さは同じでも異なっていてもよく、また、複数ある半硬化性樹脂５の樹脂の種類についても同じでも異なっていてもよい。
また、このように、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ｂの金属層の反対側の面さらに半硬化性樹脂層５と繊維織物４を繰り返し積層させてもよい。

図３は、第三態様である金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ｃの断面図である。第三態様は、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの半硬化樹脂層５の一つを、充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂７にしたものである。充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂は、扱いやすい上に充填剤を含むために強度が非常に高い。充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂も半硬化状態であり、半硬化樹脂に含まれる。
樹脂中に含まれる充填材は、炭素繊維、ガラス繊維に加えて、黒鉛、マイカ、鉱物系の粒子状充填材などを使用することができる。

［金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体の製造方法］
金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体の製造は、例えば、図４に図示するようにダブルベルトプレス方式によって行われる。図４は、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの製造を例として示している。
ダブルベルトプレス方式は、加熱ヒータブロックを内蔵した２台のコンベヤを上下に配置したダブルベルト装置８によって、上下よりワークを加熱、プレス、圧延、成形するものである。ただし、プレス成型用金属箔貼付プリプレグ１Ａを製造する際は、加熱を実施せず、常温で行うこともできる。半硬化樹脂の状態のままで積層するからである。

ダブルベルトプレス方式は、従来から樹脂と繊維からなる通常のプリプレグを製造する際に用いられるが金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの製造では、図４に図示するように、上から順に半硬化樹脂シート５、繊維４、半硬化樹脂シート５というように、２つの半硬化樹脂層シート５を設け、その間に繊維織物４を挟む。さらにその下に、半硬化樹脂シート５に接するように接着シート３、次いで接着シート３に接するように金属箔２を積層させ、さらにダブルベルトプレス方式により一体化させ、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａの製造をすることができる。

図示はしないが、上から、半硬化樹脂シート５、繊維織物４、半硬化樹脂シート５、繊維織物４、半硬化樹脂シート５、接着シート３、金属箔２を積層させ、さらにダブルベルトプレス方式により一体化させ、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ｂの製造をすることができる。

同様に図示はしないが、上から、充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂７、繊維織物４、充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂７、接着シート３、金属箔２を積層させ、さらにダブルベルトプレス方式により一体化させ、金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間体１Ｃの製造をすることができる。

この際、金属箔２には図５で図示するような溝９が設けられていることが好ましいが、形状や本数は特に限定されるものではなく、例えば直線状の溝を複数本設けることができる。溝９を設けることにより、加熱プレスにより得られる繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを構成材料とするバッテリーケースにおいて、当該構成材料と空気の接触面積が増え、効率的に放熱することが可能となる。溝９を設ける際は、加熱プレスなどの成型方法で行っても熱を加えず、室温で実施してもよい。なお、溝９を直線状にすることにより、バッテリーケースの出口に向かって溝を設けることになり、効率的に放熱することができる。

金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体の製造の際のプレス加工の圧力は、特に限定されるものではなく、通常０．１～１５ＭＰａである。

［プレス成型用部材及びプレス成型用部材の製造方法］
上記のように得られる金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体１Ａ、１Ｂ、１Ｃを用いて、プレス成型用部材を製造する。
プレス成型用部材は、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料１Ａ、１Ｂ、１Ｃをそのまま使用してもよいし、金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料１Ａ、１Ｂ、１Ｃに加えて、さらに同種又は異種のプリプレグを重ねて、プレス成型用部材としてもよい。
金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料１Ａ、１Ｂ、１Ｃに、プリプレグ等の別の材料を積層させる場合は、半硬化状態を維持するため、加熱をしないで単に積層させることが好ましい。なお、半硬化樹脂であるため、粘着性を有するため、互いの材料はプレスせずとも貼り合わせることはできる。
プレス成型用部材は、下記する加熱プレスに用いる材料となる。

［繊維強化複合材料プレス済成型部材の製造方法］
このようにして得られるプレス成型用部材を加熱プレスすることにより、繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを製造することができる。

例えば、図６（ａ）で図示するように、下型１０Ａと上型１０Ｂを備えたプレス機に、第一態様であるプレス成型用部材（図では、金属箔含有半硬化繊維強化複合材料中間材料１Ａをプレス成型用部材として使用）を配置する。繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａを箱形状に成型する場合、効率の良い放熱のために金属層２が内側に配置されていることが好ましいため、金属層２が凸型の型に接するように配置する。具体的には、図６のような場合であれば下型１０Ａに接するように配置する。

次に、図６（ｂ）に図示するように、下型１０Ａと上型１０Ｂによりプレス成型用部材を上下より押圧し、所望の形状に変形させ、繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａとする。下型１０Ａと上型１０Ｂによって圧力を加える際には型を加熱する。加熱方法としては、例えば一方または両方にヒーターを備えさせ、それを加熱する、熱風を吹き付ける、電磁誘導加熱等の方法で加熱できるが、加熱方法は特に限定されない。
押圧する際は、下型１０Ａを上に移動させることにより、又は上型１０Ｂを下に移動させることにより、プレス成型用部材を押圧することができる。

なお、プレス成型用部材に備えられた樹脂は半硬化状態であるが、上記加熱プレスの工程を経て硬化することが好ましい。

次に、図６（ｃ）に図示するように、下型１０Ａと上型１０Ｂを成型済金属複合体１１Ａから取り外し、成型済金属複合体１１Ａを得る。

上記のように所望の形状に加工した繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａは、バッテリーケース、パソコン、ＯＡ機器、ＡＶ機器、携帯電話、電話機、ファクシミリ、家電製品、玩具用品、フラットパネルディスプレイなどの電子機器の筐体などの材料又は部品として好適に用いることができる。
この繊維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａは、プレス加工後は軽量で高剛性であるところから、特に図７で図示するような自動車に搭載される車載用の大型のバッテリーケースの加工に特に好適である。筐体やバッテリーケースの形状に特に制限はない。

また、バッテリーケースなど箱形状に加工して用いる場合は、図７に図示するように内部の熱を効率的に逃がすため、金属箔２の面を内側にするような形状が好ましい。また、溝９を設けるために、金属箔２は、溝９を設けるために、金属箔２のみを用いてプレス成型してもよい。溝９は直線状で複数設けることができ、直線状の溝９は、互いに平行にすることができる。熱をもった維強化複合材料プレス済成型部材１１Ａにおいては、、溝９部分が相対的に熱を持ちやすく、溝９の配置方向によって熱を逃したい方向に誘導することができる。

１Ａ・・・本発明の第一態様である半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体
１Ｂ・・・本発明の第二態様である半硬化樹脂繊維強化複合材料中間体
１Ｃ・・・本発明の第三態様である半硬化繊維強化複合材料中間体
２・・・金属箔
３・・・接着シート
４・・・繊維織物
５・・・半硬化樹脂シート
７・・・充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂
８・・・ダブルベルト装置
９・・・溝
１０Ａ・・・下型
１０Ｂ・・・上型
１１Ａ・・・繊維強化複合材料プレス済成型部材

Claims (7)

1. 少なくとも２枚以上の半硬化樹脂シートと、繊維織物又は一方向繊維と、金属箔とが積層され一体化されている金属箔含有半硬化樹脂繊維強化複合材料中間材料を含むプレス成型用部材を加熱プレス成型する工程を含むバッテリーケースの製造方法であって、前記金属箔はバッテリーケースの内側に配置される、バッテリーケースの製造方法。
2. 前記半硬化樹脂シートの樹脂が熱硬化性エポキシ樹脂である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記半硬化樹脂シートの樹脂が充填材含有飽和又は不飽和ポリエステル樹脂である、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記金属箔は前記樹脂シートに接着するための接着シートを有する、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記金属箔の表面に直線状の溝が設けられている、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記繊維織物又は前記一方向繊維がガラス繊維である、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記繊維織物又は前記一方向繊維が炭素繊維である、請求項１に記載の製造方法。