JP6587852B2 - Composite resin material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、複合樹脂材料、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a composite resin material and a method for producing the same.
従来の樹脂材料は、単一の材料により形成されることが多い。この場合、その樹脂材料の物性は、使用される材料ごとの固有な特性とならざるを得ず、その結果従来の樹脂材料群は全体として離散的な分布となっている。このため、そのような単一材料からなる樹脂材料の用途は限定的であり、また、所望の仕様の工業製品を製造しようとする場合、当該樹脂材料の特性によってその製品の性能は制限されざるを得ない。 Conventional resin materials are often formed from a single material. In this case, the physical properties of the resin material must be unique to each material used. As a result, the conventional resin material group has a discrete distribution as a whole. For this reason, the use of such a single material resin material is limited, and when an industrial product having a desired specification is to be manufactured, the performance of the product is not limited by the characteristics of the resin material. I do not get.
複数種類の材料の共重合体を形成することにより、採用された材料の特性を取捨選択又は相殺することにより任意の特性の材料を得ようとする技術も提案されている。しかし、そのような共重合体は特性の均一性が不十分であったり、機械的な負荷に対して脆弱であったりするなど、産業上のニーズに十分適合した特性を提供するには至っていない。例えば、樹脂材料の線膨張率に関して、所望の線膨張率を有する樹脂材料を提供することは、共重合体の樹脂材料によっても困難である。このため、例えば半導体デバイスでは、シリコンチップとプリント基板との間に挿入されるインタポーザにおいて、シリコンの線膨張率とプリント基板の線膨張率との間の適切な線膨張率を有するインタポーザが求められるが、そのような線膨張率を有するインタポーザを単一材料からなるインタポーザや、共重合体のインタポーザによって提供することは困難である。なお線膨張率は、線膨張係数、熱膨張率、熱膨張係数とも呼ばれ、温度の逆数が単位となる。ここでは単位に毎ケルビン(/K)を用いる。 There has also been proposed a technique for obtaining a material having an arbitrary characteristic by selecting or offsetting the characteristic of the employed material by forming a copolymer of plural kinds of materials. However, such copolymers have not yet provided properties that are well suited to industrial needs, such as insufficient uniformity of properties and vulnerability to mechanical loads. . For example, regarding the linear expansion coefficient of the resin material, it is difficult to provide a resin material having a desired linear expansion coefficient, even with a copolymer resin material. For this reason, for example, in a semiconductor device, an interposer having an appropriate linear expansion coefficient between the linear expansion coefficient of silicon and the linear expansion coefficient of the printed circuit board is required in the interposer inserted between the silicon chip and the printed circuit board. However, it is difficult to provide an interposer having such a linear expansion coefficient by an interposer made of a single material or a copolymer interposer. The linear expansion coefficient is also called a linear expansion coefficient, a thermal expansion coefficient, or a thermal expansion coefficient, and its reciprocal temperature is a unit. Here, Kelvin (/ K) is used as a unit.
本発明は、所望の線膨張率を有する複合樹脂材料を提供するとともに、そのような所望の線膨張率を有する樹脂材料を製造することのできる製造方法に関するものである。 The present invention relates to a production method capable of producing a resin material having a desired linear expansion coefficient and a resin material having such a desired linear expansion coefficient.
本発明に係る複合樹脂材料は、複数種類の樹脂材料を含む複合樹脂材料である。この複合樹脂材料は、第1の層と第2の層とが積層方向に繰り返し配置されて形成される。第1の層では、第1の樹脂材料が第1方向を長手方向として配置され且つ第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列されると共に、第1の樹脂材料以外の第2の樹脂材料が、第1方向を長手方向として配置され且つ前記隙間を充填するように配列される。一方、第2の層は、第1の樹脂材料が、第1方向とは交差する第3方向を長手方向として配置され且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列されると共に、第2の樹脂材料が、第3方向を長手方向として配置され且つ前記隙間を充填するように配列される。これにより前記第1の層に配置された第1の樹脂材料と、第2の層に配置された第1の樹脂材料とが上下方向で接合し、更に第1の層に配置された第2の樹脂材料と、第2の層に配置された前記第2の樹脂材料とが上下方向で接合される。第1の樹脂材料は、その長手方向において分子鎖配向が揃っている。 The composite resin material according to the present invention is a composite resin material containing a plurality of types of resin materials. The composite resin material is formed by repeatedly arranging a first layer and a second layer in the stacking direction. In the first layer, the first resin material is arranged with the first direction as the longitudinal direction and arranged with a gap in the second direction intersecting the first direction, and the second layer other than the first resin material. These resin materials are arranged with the first direction as the longitudinal direction and arranged to fill the gap. On the other hand, in the second layer, the first resin material is arranged with the third direction intersecting with the first direction as a longitudinal direction and arranged with a gap in the fourth direction intersecting with the third direction. At the same time, the second resin material is arranged with the third direction as the longitudinal direction and arranged so as to fill the gap. As a result, the first resin material disposed in the first layer and the first resin material disposed in the second layer are joined in the vertical direction, and further the second resin disposed in the first layer. The resin material and the second resin material disposed in the second layer are joined in the vertical direction. The first resin material has a uniform molecular chain orientation in the longitudinal direction.
本発明に係る複合樹脂材料の製造方法は、次のような工程により形成され得る。
(1)第1の樹脂材料を、第1方向を長手方向として且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて形成し、更にその上層に、前記第1の樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3方向を長手方向として且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて形成することを繰り返す。
(2)前記隙間には、第1の樹脂材料とは異なる第2の樹脂材料を埋め込む。
The method for producing a composite resin material according to the present invention can be formed by the following steps.
(1) A first resin material is formed with a first direction as a longitudinal direction and a gap in a second direction intersecting the first direction, and the first resin material is further formed on the first layer. It repeats forming with a gap in the fourth direction intersecting the third direction with the third direction intersecting the first direction as the longitudinal direction.
(2) A second resin material different from the first resin material is embedded in the gap.
次に、本発明の実施の形態に係る複合樹脂材料Sを、図面を参照して詳細に説明する。 Next, the composite resin material S according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1Aは、第1の実施の形態の複合樹脂材料Sの構造を示す斜視図である。図1Aに示すように、第1の実施の形態の複合樹脂材料Sは、例えば2種類の樹脂材料R1、R2を用いて形成される。図1Aでは、図示の簡略化のため、複合樹脂材料Sの一部のみを拡大して図示しており、実際の材料においては、図示されているよりも多くの本数の樹脂材料R1及びR2が形成されている。また、以下では説明の簡単化のため、2種類の樹脂材料を使用する場合を中心に説明するが、3種類以上の樹脂材料を用いてもよいことは言うまでもない。
[First Embodiment]
FIG. 1A is a perspective view showing the structure of the composite resin material S of the first embodiment. As shown in FIG. 1A, the composite resin material S of the first embodiment is formed using, for example, two types of resin materials R1 and R2. In FIG. 1A, for simplification of illustration, only a part of the composite resin material S is illustrated in an enlarged manner. In actual materials, a larger number of resin materials R1 and R2 than illustrated are included. Is formed. In the following, for the sake of simplicity of explanation, a case where two types of resin materials are used will be mainly described. However, it goes without saying that three or more types of resin materials may be used.
また、この第1の実施の形態の複合樹脂材料Sでは、複数種類の樹脂材料R1、R2を、1つの層において、所定の配合比をもって、一の方向を長手方向として形成する。図1Aの例では、第1の層に(図1Aの最下層)おいては、樹脂材料R1、R2の配合比を例えば略1:1とし、且つそれぞれの樹脂材料R1、R2の長手方向がX軸方向(第1方向)となり、X軸と直交するY軸方向(第2方向)に沿って樹脂材料R1とR2とが交互に配列される。換言すれば、樹脂材料R1はY軸方向において所定の隙間を空けて交互に配列され、樹脂材料R2はこの隙間を充填するように配列される。樹脂材料R1の配列方法については後述するが、一例としては樹脂溶融法(FDM法)により行われる。一方、樹脂材料R2は、後述するように、上記の隙間を埋め込むことができるよう、位置決めされて配列されるか、または隙間に対し含浸させることにより形成される(埋め込まれる)。隙間において樹脂材料R2が実質的に隙間なく含浸されるためには、樹脂材料R2の温度を十分高くするなどして樹脂材料R2の粘度を低下させるのが好適である。なお、ここでの「充填」という用語は、隙間が完全に埋め込まれることまでを意味するものではなく、両樹脂材料R1、R2が所望の連結力を有し材料としての一定の堅牢性を与える程度に埋め込まれていれば足りると言う趣旨で用いられている。ただし、樹脂材料R2は含浸により形成する必要は無く、所定の粘度を有した樹脂材料R2を、樹脂溶融法(FDM法)やインクジェット法などにより吐出することも可能である。 In the composite resin material S of the first embodiment, a plurality of types of resin materials R1 and R2 are formed in one layer with a predetermined blending ratio and one direction as a longitudinal direction. In the example of FIG. 1A, in the first layer (the lowermost layer of FIG. 1A), the blending ratio of the resin materials R1 and R2 is, for example, approximately 1: 1, and the longitudinal directions of the respective resin materials R1 and R2 are The resin materials R1 and R2 are alternately arranged along the Y-axis direction (second direction) that is the X-axis direction (first direction) and is orthogonal to the X-axis. In other words, the resin material R1 is alternately arranged with a predetermined gap in the Y-axis direction, and the resin material R2 is arranged so as to fill the gap. Although the arrangement method of the resin material R1 will be described later, as an example, it is performed by a resin melting method (FDM method). On the other hand, as will be described later, the resin material R2 is positioned and arranged so as to be able to embed the gap, or is formed (embedded) by impregnating the gap. In order for the resin material R2 to be substantially impregnated in the gap, it is preferable to reduce the viscosity of the resin material R2 by, for example, sufficiently increasing the temperature of the resin material R2. Here, the term “filling” does not mean that the gap is completely filled, and both the resin materials R1 and R2 have a desired coupling force and give a certain robustness as a material. It is used for the purpose of being sufficient if it is embedded to the extent. However, the resin material R2 does not need to be formed by impregnation, and the resin material R2 having a predetermined viscosity can be discharged by a resin melting method (FDM method), an ink jet method, or the like.
一方、第1の層よりも上層の第2の層においては、樹脂材料R1、R2の配合比は第1層と同様に例えば略1:1とされるが、それぞれの樹脂材料R1、R2の長手方向は、第1の層のX軸方向ではなく、これとは交差する軸(第3方向)、例えばY軸方向とされ、樹脂材料R1、R2は、X軸方向(第4方向)に沿って配列される。そして、この第2層においても、樹脂材料R1はX軸方向において所定の隙間を開けて交互に形成され、樹脂材料R2はその隙間において、樹脂材料R1の間を埋めるように形成される。 On the other hand, in the second layer above the first layer, the compounding ratio of the resin materials R1 and R2 is, for example, approximately 1: 1 as in the first layer. The longitudinal direction is not the X-axis direction of the first layer but an axis (third direction) intersecting with this, for example, the Y-axis direction, and the resin materials R1 and R2 are in the X-axis direction (fourth direction). Arranged along. Also in the second layer, the resin material R1 is alternately formed with a predetermined gap in the X-axis direction, and the resin material R2 is formed so as to fill the gap between the resin material R1 in the gap.
このような第1の層、第2の層が交互に複数回繰り返して形成され、これにより複数種類の樹脂材料からなる複合樹脂材料Sが形成される。
第1の層の樹脂材料R1と第2の層の樹脂材料R1とは、その上下方向において接合しており、同様に、第1の層の樹脂材料R2と第2の層の樹脂材料R2とは、その上下方向において接合している。
Such a first layer and a second layer are alternately and repeatedly formed a plurality of times, thereby forming a composite resin material S composed of a plurality of types of resin materials.
The resin material R1 of the first layer and the resin material R1 of the second layer are joined in the vertical direction, and similarly, the resin material R2 of the first layer and the resin material R2 of the second layer Are joined in the vertical direction.
このような複合樹脂材料Sにおいて、樹脂材料R1は、一つの層において第1方向に延びる一方で、それよりも1つ上の層においては第1方向と交差する第2方向に延びる。これにより、複合樹脂材料Sは、第1の層と第2の層とにおける樹脂材料R1の交差位置において樹脂材料R1同士が上下方向で接合する構造(いわゆる井桁構造)を有している。樹脂材料R2も、同様に樹脂材料R1に挟まれた位置において、同様な井桁構造を有し、上下方向で接合する。このような構造により、たとえ異種の樹脂材料R1とR2の間の(横方向の)接合力が弱くても、上述のような井桁構造における同一樹脂材料間の(積層方向の)接合力が強ければ、複合樹脂材料Sの強度を十分に高いものとすることができる。樹脂材料R1及びR2に加えて、フィラー材や接着剤を付加することにより、より両樹脂材料間の接合力を強化することも可能である。 In such a composite resin material S, the resin material R1 extends in the first direction in one layer, and extends in a second direction intersecting the first direction in a layer one layer higher than that. As a result, the composite resin material S has a structure (so-called girder structure) in which the resin materials R1 are joined together in the vertical direction at the intersecting position of the resin material R1 in the first layer and the second layer. Similarly, the resin material R2 has a similar cross beam structure at a position sandwiched between the resin materials R1 and is joined in the vertical direction. With such a structure, even if the bonding force between the different resin materials R1 and R2 (in the lateral direction) is weak, the bonding force between the same resin materials (in the stacking direction) in the above-mentioned cross-girder structure can be strengthened. In this case, the strength of the composite resin material S can be made sufficiently high. By adding a filler material or an adhesive in addition to the resin materials R1 and R2, it is possible to further strengthen the bonding force between the two resin materials.
なお、図1Aに示す樹脂材料R1、R2の配合比や、その長手方向、交差角度等はあくまでも一例であり、要求される造形物の仕様等によって様々に変更可能である。例えば、図1Bに示すように、樹脂材料R1及びR2の配合比を、複数の層の間で異なる値に設定することも可能である。図1Bでは最下層が樹脂材料R1のみ、最上層が樹脂材料R2のみとなるように連続的に樹脂材料R1及びR2の配合比を可変させているが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。例えば所定の配合比からなる複数層をワンセットとして、その所定配合比を複数層を単位として段階的に変更させてもよい。 In addition, the compounding ratio of the resin materials R1 and R2 illustrated in FIG. 1A, the longitudinal direction, the crossing angle, and the like are merely examples, and can be variously changed depending on the required specifications of the modeled object. For example, as shown in FIG. 1B, the blending ratio of the resin materials R1 and R2 can be set to a different value among the plurality of layers. In FIG. 1B, the compounding ratio of the resin materials R1 and R2 is continuously varied so that the lowermost layer is only the resin material R1 and the uppermost layer is only the resin material R2. However, the present embodiment is limited to this. It is not a thing. For example, a plurality of layers having a predetermined blending ratio may be set as one set, and the predetermined blending ratio may be changed stepwise in units of the plurality of layers.
この樹脂材料R1は、一例として液晶ポリマーを少なくとも主成分として形成され得る。液晶ポリマーは、溶融状態で一定の外力を加えた時分子が直鎖状に配向する性質を有する高分子樹脂である。具体的には、所定の融点以上を与え、力を加えることにより溶融する熱可塑性の液晶ポリマーであり、溶融状態で応力を加わえると分子鎖が規則正しく配列される性質を有している。このような液晶ポリマーは、例えばパラヒドロキシ安息香酸などを基本構造として有すると共に、パラヒドロキシ安息香酸と直鎖状に他の成分をエステル結合させて合成され得る重縮合体である。他の成分としては、フェノールとフタル酸の組み合わせの他、様々なものが考えられる。 As an example, the resin material R1 can be formed using at least a liquid crystal polymer as a main component. A liquid crystal polymer is a polymer resin having a property that molecules are aligned in a straight chain when a certain external force is applied in a molten state. Specifically, it is a thermoplastic liquid crystal polymer that gives a melting point higher than a predetermined melting point and melts by applying force, and has a property that molecular chains are regularly arranged when stress is applied in a molten state. Such a liquid crystal polymer is a polycondensate that has, for example, parahydroxybenzoic acid as a basic structure and can be synthesized by ester-bonding other components in a linear form with parahydroxybenzoic acid. As other components, various combinations other than the combination of phenol and phthalic acid are conceivable.
後述するが、液晶ポリマーは、溶融状態で剪断力をかけると、その内部の分子鎖が剪断力の印加方向に沿って配向する性質の材料である。この実施の形態の樹脂材料R1は、その長手方向に沿って分子鎖配向が揃うように形成される。言い換えれば、長手方向と、液晶ポリマーの直鎖の方向が一致する。このため、第1の樹脂材料R1は、その線膨張率が樹脂材料R2よりも小さくされる。一例として、第2の樹脂材料はエポキシ樹脂から構成され得る。この場合、樹脂材料R1の線膨張率は、0.09ppm/K程度であるのに対し、樹脂材料R2の線膨張率は、例えば45〜60ppm/K程度であり、前者の方が2桁ほど小さい値である。ただし、両者の線膨張率の差は、これに限定されるものではなく、発明の趣旨に応じて変更し得ることは言うまでもない。
なお、樹脂材料R1の径方向の膨張率は、長手方向の膨張率(0.09ppm/K程度)よりも大きく、例えば6〜7ppm/K程度である。
また、樹脂材料R2は、液晶ポリマーからなる樹脂材料R1を形成した後、その隙間に含浸させることにより形成され得る。
なお、含浸工程は、終始大気圧雰囲気中で実行されてもよいが、これに代えて、真空雰囲気又は減圧雰囲気中で含浸動作を行い、その後大気圧雰囲気中に戻すことで内部への充填を効果的に行うことも可能である。
As will be described later, the liquid crystal polymer is a material having a property that when a shearing force is applied in a molten state, the molecular chains inside thereof are aligned along the direction in which the shearing force is applied. The resin material R1 of this embodiment is formed so that the molecular chain orientation is aligned along the longitudinal direction. In other words, the longitudinal direction coincides with the linear direction of the liquid crystal polymer. For this reason, the first resin material R1 has a linear expansion coefficient smaller than that of the resin material R2. As an example, the second resin material may be composed of an epoxy resin. In this case, the linear expansion coefficient of the resin material R1 is about 0.09 ppm / K, whereas the linear expansion coefficient of the resin material R2 is, for example, about 45 to 60 ppm / K, and the former is about two digits. Small value. However, it is needless to say that the difference in linear expansion coefficient between the two is not limited to this, and can be changed according to the gist of the invention.
In addition, the expansion coefficient in the radial direction of the resin material R1 is larger than the expansion coefficient in the longitudinal direction (about 0.09 ppm / K), for example, about 6 to 7 ppm / K.
The resin material R2 can be formed by forming the resin material R1 made of a liquid crystal polymer and then impregnating the gap.
The impregnation step may be performed from beginning to end in an atmospheric pressure atmosphere, but instead, the impregnation operation is performed in a vacuum atmosphere or a reduced pressure atmosphere, and then the interior is filled by returning to the atmospheric pressure atmosphere. It can also be done effectively.
本実施の形態では、樹脂材料R1としては、熱可塑性の液晶ポリマーが用いられるが、一方、樹脂材料R2としては、熱硬化性樹脂、及び熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂のいずれも使用し得る。 In the present embodiment, a thermoplastic liquid crystal polymer is used as the resin material R1. On the other hand, as the resin material R2, any of a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a photocurable resin can be used. .
エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を樹脂材料R2として用いる場合、その樹脂材料R2の硬化温度が、樹脂材料R1の溶融温度よりも低くなるように、樹脂材料R2の材料を選択するのが好ましい。 When a thermosetting resin such as an epoxy resin is used as the resin material R2, the material of the resin material R2 is preferably selected so that the curing temperature of the resin material R2 is lower than the melting temperature of the resin material R1.
なお、樹脂材料R2の材料として、熱可塑性樹脂を採用することもできる。熱可塑性樹脂の樹脂材料R2としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等を用いることができる。この場合、樹脂材料R2の溶融温度は、樹脂材料R1の溶融温度よりも低いことが好ましい。樹脂材料R2の溶融温度が樹脂材料R1の溶融温度よりも高いと、樹脂材料R2を溶融し含浸させる工程において樹脂材料R1が溶融し、図1のような樹脂材料R1の井桁構造の維持が困難となり、また樹脂材料の分子鎖の配向方向も一定でなくなってしまうからである。
また、樹脂材料R2の材料として、光硬化性樹脂を採用することもできる。光硬化性樹脂の樹脂材料R2としては、例えば、アクリレートやメタクリレートを末端基に有するプレポリマー、またはオリゴマー、またはモノマーやこれらの混合物をベースとし、所定量の光重合開始剤を少なくとも混合したものを用いることができる。特にエステル系、ウレタン系、エポキシ系のアクリレートやメタクリレートを好適に用いることができる。
又、樹脂材料R1と同じ方法で、R1の隙間を埋める方法でも複合樹脂材料Sを形成する事は可能である。
In addition, a thermoplastic resin can also be employ | adopted as a material of resin material R2. As the resin material R2 of the thermoplastic resin, for example, polyethylene, polypropylene, polystyrene or the like can be used. In this case, the melting temperature of the resin material R2 is preferably lower than the melting temperature of the resin material R1. If the melting temperature of the resin material R2 is higher than the melting temperature of the resin material R1, the resin material R1 melts in the step of melting and impregnating the resin material R2, and it is difficult to maintain the cross structure of the resin material R1 as shown in FIG. In addition, the orientation direction of the molecular chain of the resin material is not constant.
Moreover, a photocurable resin can also be employ | adopted as a material of resin material R2. As the resin material R2 of the photocurable resin, for example, a prepolymer having an acrylate or methacrylate as an end group, or an oligomer, or a monomer or a mixture thereof and a mixture of at least a predetermined amount of a photopolymerization initiator is used. Can be used. In particular, ester-based, urethane-based, and epoxy-based acrylates and methacrylates can be suitably used.
Also, the composite resin material S can be formed by the same method as the resin material R1 and the method of filling the gap of R1.
このように異種の樹脂材料R1、R2を1つの複合樹脂材料Sの中で組み合わせて使用することにより、異種の樹脂材料R1、R2の特性を併せ持った造形物を提供することができる。例えば、第1の樹脂材料の長所を有すると共に、第1の樹脂材料の短所を第2の樹脂材料の長所により補うことも可能になる。 By using different types of resin materials R1 and R2 in combination in one composite resin material S in this way, it is possible to provide a shaped article having the characteristics of the different types of resin materials R1 and R2. For example, it has the advantage of the first resin material, and the disadvantage of the first resin material can be supplemented by the advantage of the second resin material.
図1Aに示す複合樹脂材料Sの造形手順を、図2及び図3を参照して説明する。まず、図2に示すように、第1の層においては、図2に示すように、樹脂材料R1を例えば略1:1の配列ピッチで、Y軸方向を長手方向として形成する。樹脂材料R1の間には、配列ピッチに従った隙間が残っている。 A modeling procedure of the composite resin material S shown in FIG. 1A will be described with reference to FIGS. 2 and 3. First, as shown in FIG. 2, in the first layer, as shown in FIG. 2, the resin material R1 is formed with an arrangement pitch of, for example, approximately 1: 1 and the Y-axis direction as the longitudinal direction. A gap according to the arrangement pitch remains between the resin materials R1.
同様に、第1の層の上層の第2の層では、樹脂材料R1を、同様に略1:1の配列ピッチで、X軸方向を長手方向として形成する。この第2の層では、複数の樹脂材料R1の間の位置に、Y軸方向に沿って隙間が残っている。 Similarly, in the second layer, which is an upper layer of the first layer, the resin material R1 is similarly formed at an arrangement pitch of approximately 1: 1, with the X-axis direction as the longitudinal direction. In the second layer, a gap remains along the Y-axis direction at a position between the plurality of resin materials R1.
以下、同様の手順を繰り返し、上下間で隣り合う2つの層の間において樹脂材料R1が互いに交差し且つ上下方向で接合するように形成され、樹脂材料R1の井桁構造が形成される。また、各層に形成される樹脂材料R1は、液晶ポリマーを材料として形成されると共に、形成時に所定の剪断力を与えられることにより、その長手方向に沿って分子鎖の配向が揃っている。これにより、樹脂材料R1の線膨張率は、例えば0.09ppm/K程度の、他の樹脂材料に比べ非常に低い値に設定され得る。 Thereafter, the same procedure is repeated, and the resin material R1 is formed so as to cross each other and be joined in the vertical direction between two layers that are adjacent between the upper and lower sides, thereby forming the cross structure of the resin material R1. In addition, the resin material R1 formed in each layer is formed using a liquid crystal polymer as a material, and given a predetermined shearing force at the time of formation, the molecular chains are aligned along the longitudinal direction. Thereby, the linear expansion coefficient of resin material R1 can be set to a very low value compared with other resin materials, for example, about 0.09 ppm / K.
続いて、図3に示すように、樹脂材料R1の隙間に対し、溶融された樹脂材料R2を含浸させることにより、樹脂材料R1の隙間を樹脂材料R2により埋め込む。尚、含浸は大気圧での含侵よりも真空含浸の方が、より効果的に埋め込む事が可能である。 Subsequently, as shown in FIG. 3, the gap of the resin material R1 is filled with the resin material R2 by impregnating the molten resin material R2 with the molten resin material R2. The impregnation can be more effectively embedded by vacuum impregnation than impregnation at atmospheric pressure.
樹脂材料R2として熱可塑性樹脂を用いた場合、温度が溶融温度以下に低下すると樹脂材料R2は固化する。これにより、この樹脂材料R2も、上下に隣接する第1の層と第2の層との間において上下方向で接合された井桁構造に形成される。なお、樹脂材料R2の含浸量は、樹脂材料R1による空隙の体積(樹脂材料R1の形成領域を覆う直方体の体積から、樹脂材料R1の体積を減算した体積)よりも固化収縮分を見越して大きくされる(100%よりも大きくされる)。これによって、空隙部分を樹脂材料R2により十分に埋め込むことができ、空隙が埋まらずに残存することを防止することができる。 When a thermoplastic resin is used as the resin material R2, the resin material R2 is solidified when the temperature falls below the melting temperature. Thereby, this resin material R2 is also formed in a cross-girder structure joined in the vertical direction between the first layer and the second layer adjacent to each other in the vertical direction. Note that the amount of impregnation of the resin material R2 is larger than the volume of the void due to the resin material R1 (a volume obtained by subtracting the volume of the resin material R1 from the volume of the rectangular parallelepiped covering the formation region of the resin material R1). (Greater than 100%). As a result, the gap portion can be sufficiently filled with the resin material R2, and the gap can be prevented from remaining without being filled.
また、樹脂材料R2として熱硬化性樹脂を用いた場合、含浸が終了した後、複合樹脂材料Sの温度を樹脂材料R2の硬化温度まで上昇させる加熱工程を実行する。この場合も同様で、加熱工程において樹脂材料R2は硬化又は収縮するので、樹脂材料R2の含浸量は、樹脂材料R1による空隙の体積よりも硬化収縮分を見越して大きくされる(100%よりも大きくされる)。
なお樹脂材料R2を樹脂材料R1の隙間に含浸させた後、熱硬化させる段階においては、樹脂材料R2を完全に硬化させる代りに、半硬化状態となったら硬化工程(熱工程)を一旦停止し、最終の加熱プレス工程にて樹脂材料R2を半硬化状態から完全硬化状態に移行させることも可能である。
また、樹脂材料R2として光硬化性樹脂を用いた場合、含浸が終了した後、複合樹脂材料Sに対して、水銀ランプやLEDランプにより紫外線等の光を照射する。一見、照射面である表面のみの硬化に留まると思われがちだが、本発明なる複合樹脂材料Sは井桁構造をしているため、各格子点で光線の乱反射が起きやすく、深部まで硬化が進む。少なくとも短時間形状を保つことのできる半硬化状態は可能である。さらに硬化を進めたい場合は、熱硬化性樹脂と同様に熱工程を行うことで硬化を完了させることができる。なお、熱工程は加熱プレス工程に置き換えることもできる。また熱硬化性樹脂と同様に、光硬化工程や加熱工程において樹脂材料R2は硬化又は収縮するので、樹脂材料R2の含浸量は、樹脂材料R1による空隙の体積よりも硬化収縮分を見越して大きくされる(100%よりも大きくされる)。
Further, when a thermosetting resin is used as the resin material R2, after the impregnation is completed, a heating step for increasing the temperature of the composite resin material S to the curing temperature of the resin material R2 is executed. In this case as well, since the resin material R2 is cured or contracted in the heating step, the amount of impregnation of the resin material R2 is increased in anticipation of the curing shrinkage than the volume of the voids by the resin material R1 (more than 100%). Enlarged).
In addition, in the stage where the resin material R2 is impregnated into the gap between the resin materials R1 and then thermally cured, instead of completely curing the resin material R2, the curing process (thermal process) is temporarily stopped when the resin material R2 is in a semi-cured state. It is also possible to shift the resin material R2 from the semi-cured state to the fully cured state in the final heat pressing step.
Further, when a photocurable resin is used as the resin material R2, after the impregnation is finished, the composite resin material S is irradiated with light such as ultraviolet rays by a mercury lamp or an LED lamp. At first glance, it tends to be thought that only the surface that is the irradiated surface is cured, but since the composite resin material S of the present invention has a cross beam structure, irregular reflection of light rays is likely to occur at each lattice point, and curing proceeds deeper. . A semi-cured state capable of maintaining the shape for at least a short time is possible. When further curing is desired, the curing can be completed by performing a thermal process in the same manner as the thermosetting resin. The heating process can be replaced with a heating press process. Similarly to the thermosetting resin, the resin material R2 is cured or shrunk in the photocuring process or the heating process, so that the impregnation amount of the resin material R2 is larger than the volume of the voids by the resin material R1 in anticipation of the curing shrinkage. (Greater than 100%).
図2及び図3では、樹脂材料R1を複数層に亘って井桁構造に形成した後、その複数層に亘る樹脂材料R1の隙間に溶融された樹脂材料R2を流し込む(含浸させる)ことにより図1Aの複合樹脂材料Sを形成する工程を示した。複合樹脂材料Sの製造工程はこれに限定されるものではない。例えば、図4〜図7に示すように、1つの層において樹脂材料R1を配列形成した後、その隙間に樹脂材料R2を流し込む手順を行い、これらを繰り返すことにより、図1Aの複合樹脂材料Sを形成することも可能である。また、樹脂材料R1とR2とを連結するためのフィラー材や接着剤を別途散布又は塗布することも可能である。フィラー材を用いることにより、樹脂材料R1とR2の接合力を向上させることができ、また、仮に両樹脂材料の間に空隙が生じた場合であっても、その空隙にフィラー材が散布されることにより、フィラー材を介して両樹脂材料を効果的に接合させることができる。なおここでフィラー材は、充填剤とも呼ばれる無機または有機の微粉末であり、針状や棒状、繊維状の形状であることが多い。材質としては、ガラス繊維、マイカ、カーボン、セルロース、金属等を用いることができる。またフィラー材には、シランカップリング処理、アルミネート処理、チタネート処理、クロム酸処理、触媒化処理等の化学表面処理や、プラズマ処理、イオン処理、オゾン処理等の物理表面処理を施したものであってもよい。 2 and 3, the resin material R1 is formed in a cross-girder structure over a plurality of layers, and then the molten resin material R2 is poured (impregnated) into a gap between the resin materials R1 over the layers. The step of forming the composite resin material S was shown. The manufacturing process of the composite resin material S is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 4 to 7, after the resin materials R1 are arranged and formed in one layer, a procedure for pouring the resin material R2 into the gap is performed, and these steps are repeated, thereby repeating the composite resin material S of FIG. 1A. It is also possible to form Further, it is also possible to separately spray or apply a filler material or an adhesive for connecting the resin materials R1 and R2. By using the filler material, the bonding force between the resin materials R1 and R2 can be improved, and even if a gap is generated between the two resin materials, the filler material is dispersed in the gap. Thereby, both resin materials can be effectively joined via a filler material. Here, the filler material is an inorganic or organic fine powder, also called a filler, and is often in the form of needles, rods, or fibers. As the material, glass fiber, mica, carbon, cellulose, metal and the like can be used. The filler material has been subjected to chemical surface treatment such as silane coupling treatment, aluminate treatment, titanate treatment, chromic acid treatment, and catalyzing treatment, and physical surface treatment such as plasma treatment, ion treatment, and ozone treatment. There may be.
なお、図8に示すように、複数層に亘って形成された樹脂材料R1、R2に対し延伸工程を施し、積層方向の寸法を圧縮させるとともに、製造過程における環境温度ばらつき等の各種変動影響を吸収し、均質な板材に整えることも可能である。
また、延伸工程に代えて熱プレス工程を実行することにより、積層方向の寸法を圧縮させることも可能である。熱プレス工程の場合、樹脂材料R1よりも溶融温度の低い樹脂材料R2の軟化温度Ts2と溶融温度Tm2との間の温度T1で熱プレス工程を実行し、その後、より溶融点の高い樹脂材料R1の軟化温度Ts1以上溶融温度Tm1未満の温度T2で再度加熱プレスを行う。このような温度T2により加熱プレスを行うことにより、樹脂材料R1における配向性を崩すことなく樹脂材料R1を加熱プレスすることができる。これによって積層方向の寸法を圧縮させるとともに、R1とR2の間の隙間をよりいっそう減じ、両者の接合力を増すことができる。また加熱プレスに用いる平行平板プレス面の表面形状(表面粗さ)にならった表面形状(表面粗さ)を実現することも可能となる。
In addition, as shown in FIG. 8, the stretching process is performed on the resin materials R1 and R2 formed over a plurality of layers to compress the dimensions in the stacking direction, and various fluctuation effects such as environmental temperature variations in the manufacturing process are affected. It is also possible to absorb and arrange a uniform plate.
Moreover, it is also possible to compress the dimension of a lamination direction by performing a hot press process instead of an extending process. In the case of the hot pressing process, the hot pressing process is executed at a temperature T1 between the softening temperature Ts2 and the melting temperature Tm2 of the resin material R2 having a lower melting temperature than the resin material R1, and then the resin material R1 having a higher melting point. The heating press is performed again at a temperature T2 that is equal to or higher than the softening temperature Ts1 and lower than the melting temperature Tm1. By performing hot pressing at such a temperature T2, the resin material R1 can be hot pressed without breaking the orientation in the resin material R1. As a result, the dimension in the stacking direction can be compressed, the gap between R1 and R2 can be further reduced, and the bonding force between the two can be increased. It is also possible to realize a surface shape (surface roughness) that is similar to the surface shape (surface roughness) of the parallel plate press surface used in the heating press.
次に、図9を参照して、樹脂材料R1の形成方法について説明する。樹脂材料R1は、予め一方向に配向させた糸状の線材を高精度な位置決めによって配列する方法によって形成することができる。しかし線材の配向精度や配列の機械精度に限界があるため、いわゆる樹脂溶融3Dプリンタ(FDM法)により形成するのが好適である。 Next, a method for forming the resin material R1 will be described with reference to FIG. The resin material R1 can be formed by a method in which thread-like wire rods oriented in one direction in advance are arranged by high-precision positioning. However, since there is a limit to the alignment accuracy of the wire and the mechanical accuracy of the arrangement, it is preferable to form the wire by a so-called resin melt 3D printer (FDM method).
樹脂溶融3Dプリンタの場合、図9に示すように、溶融ヘッド11の吐出口12の直径は数μm〜数百μm程度と非常に小さい。また溶融ヘッド11の内部では押し出しにより溶融樹脂の流速に図9に示すような分布が生じる。このため吐出口で流速差のある溶融樹脂を通過させる際に剪断力(剪断応力)が発生する。この時、吐出される溶融樹脂の分子鎖は配向性を獲得する。さらに溶融ヘッド11が造形テーブル(図示せず)に対して相対移動する際、吐出量と移動速度のバランスを取る事で溶融樹脂には張力が発生する為、配向は更に進み、造形ステージ上で樹脂は冷却されることにより、相対移動させた方向(掃引した方向)に分子鎖は配向して固化することになる。この掃引方向に対して配向する性質は、3Dプリンタを用いた溶融樹脂法(FDM法)に特有の挙動である。なおこの時、樹脂に液晶ポリマーを用いた場合には、分子鎖は特に強く配向したものとなる。この結果、形成された第1の樹脂材料R1は、界面剥離等を生じさせることなく、しかも線膨張率を通常の樹脂材料に比べ非常に低くすることができる。
In the case of a resin melt 3D printer, as shown in FIG. 9, the diameter of the
なお、1つの層における樹脂材料R1は、図9の上側に示すように、溶融された樹脂材料を複数層に亘って積層させることで形成することもできる。 The resin material R1 in one layer can also be formed by laminating a molten resin material over a plurality of layers as shown in the upper side of FIG.
上述したように、本実施形態の複合樹脂材料Sでは、線膨張率の低い樹脂材料R1が井桁構造に組み込まれている。このため、複合樹脂材料Sの1つの層において、樹脂材料R1の長手方向における熱膨張が抑制される。複合樹脂材料Sの膨張率は、樹脂材料R1の線膨張率と、樹脂材料R2の線膨張率と、両者の配合比により決定される。 As described above, in the composite resin material S of the present embodiment, the resin material R1 having a low coefficient of linear expansion is incorporated in the cross beam structure. For this reason, in one layer of the composite resin material S, thermal expansion in the longitudinal direction of the resin material R1 is suppressed. The expansion coefficient of the composite resin material S is determined by the linear expansion coefficient of the resin material R1, the linear expansion coefficient of the resin material R2, and the blending ratio of both.
一方、樹脂材料R1の短手方向(径方向)の熱膨張率は、長手方向の膨張率に比べ大きい。しかし、樹脂材料R1は、樹脂材料R2と共に複合樹脂材料S中で井桁構造を有するように形成されている。このため、図10に示すように、樹脂材料R1(液晶ポリマー)が高温時(例えば120℃、220℃時)に径方向に膨張したとしても、井桁構造においてその上下層で接合された他の樹脂材料R2により、その中心位置のズレは抑制されている(図10参照)。すなわち、樹脂材料R1の径方向の寸法は変化するが、配列ピッチは略不変である。
このように、本実施の形態の複合樹脂材料Sは、温度変化に従う寸法の変化を抑制することができるという優れた特徴を有する。
On the other hand, the thermal expansion coefficient in the short direction (radial direction) of the resin material R1 is larger than the expansion coefficient in the longitudinal direction. However, the resin material R1 is formed to have a cross-girder structure in the composite resin material S together with the resin material R2. For this reason, as shown in FIG. 10, even if the resin material R1 (liquid crystal polymer) expands in the radial direction at a high temperature (for example, at 120 ° C. and 220 ° C.), The deviation of the center position is suppressed by the resin material R2 (see FIG. 10). That is, the radial dimension of the resin material R1 changes, but the arrangement pitch is substantially unchanged.
Thus, the composite resin material S of this Embodiment has the outstanding characteristic that the change of the dimension according to a temperature change can be suppressed.
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る複合樹脂材料Sを図11を参照して説明する。
[Second Embodiment]
Next, a composite resin material S according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
この第2の実施の形態の複合樹脂材料Sは、第1の実施の形態と同様に、液晶ポリマーからなる樹脂材料R1と、液晶ポリマーとは別の種類の材料からなる樹脂材料R2とを井桁構造に構成したものである。ただし、第2の実施の形態では、図11に示すように、樹脂材料R1が、その長手方向において不連続な箇所(不連続点P)を有している。樹脂材料R1を例えば樹脂溶融3DプリンタによりX軸方向を長手方向として吐出して形成する場合、そのX軸方向に沿った吐出において、所定の位置(不連続点P)において一旦吐出を停止させる。吐出動作が停止され所定期間が経過した後に、再びその停止位置から吐出動作が開始される。このような工程により、吐出動作が停止された点において、樹脂材料R1は不連続点を有することになる。このような不連続点が存在すると、その付近で樹脂材料R1の分子鎖が切断され連結力が低下する。このため、この不連続点付近では、不連続点が無い場合に比べ、樹脂材料R1の伸縮率が高まる。 As in the first embodiment, the composite resin material S according to the second embodiment includes a resin material R1 made of a liquid crystal polymer and a resin material R2 made of a material different from the liquid crystal polymer. It is structured in a structure. However, in 2nd Embodiment, as shown in FIG. 11, resin material R1 has a discontinuous location (discontinuous point P) in the longitudinal direction. When the resin material R1 is formed by discharging the resin material R1 with the resin melt 3D printer, for example, with the X-axis direction as the longitudinal direction, the discharge is temporarily stopped at a predetermined position (discontinuous point P) in the discharge along the X-axis direction. After the discharge operation is stopped and a predetermined period elapses, the discharge operation is started again from the stop position. By such a process, the resin material R1 has discontinuous points at the point where the discharge operation is stopped. If such a discontinuous point exists, the molecular chain of resin material R1 will be cut | disconnected in the vicinity and connection force will fall. For this reason, the expansion / contraction rate of the resin material R1 is increased in the vicinity of the discontinuous point as compared with the case where there is no discontinuous point.
このように樹脂材料R1において、所定間隔で不連続点を与えることにより、樹脂材料に不連続点を与えない場合に比べ、樹脂材料R1の線膨張率を異ならせることができる。これによって複合樹脂材料S内部の熱特性の微調整が可能となる。また複合樹脂材料S全体が歪を持つ場合、歪を調整又は低減させることも可能となる。なお、不連続点の密度は、1つの複合樹脂材料Sの中で均一としてもよいし、上下方向(積層方向)、及び/又は平面方向において変化するようにしてもよい。不連続点の密度が異なると、1つの複合樹脂材料Sの中において、位置によって異なる線膨張率が得られる。 As described above, by providing discontinuous points at predetermined intervals in the resin material R1, the linear expansion coefficient of the resin material R1 can be made different from that in the case where the discontinuous points are not given to the resin material. As a result, the thermal characteristics inside the composite resin material S can be finely adjusted. Further, when the composite resin material S as a whole has strain, the strain can be adjusted or reduced. Note that the density of discontinuous points may be uniform in one composite resin material S, or may vary in the vertical direction (stacking direction) and / or in the plane direction. When the density of the discontinuous points is different, different linear expansion coefficients are obtained depending on positions in one composite resin material S.
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
S・・・複合樹脂材料、 R1、R2・・・樹脂材料、 11・・・溶融ヘッド、 12・・・吐出口。 S ... Composite resin material, R1, R2 ... Resin material, 11 ... Melting head, 12 ... Discharge port.
Claims (10)
第1の層と第2の層とが積層方向に繰り返し配置され、
前記第1の層では、第1の樹脂材料が第1方向を長手方向として配置され且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて配列されると共に、前記第1の樹脂材料以外の第2の樹脂材料が、前記第1方向を長手方向として配置され且つ前記隙間を充填するように配列され、
前記第2の層は、前記第1の樹脂材料が、前記第1方向とは交差する第3方向を長手方向として配置され且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて配列されると共に、前記第2の樹脂材料が、前記第3方向を長手方向として配置され且つ前記隙間を充填するように配列され、
これにより前記第1の層に配置された前記第1の樹脂材料と、前記第2の層に配置された前記第1の樹脂材料とが上下方向で接合し、更に前記第1の層に配置された前記第2の樹脂材料と、前記第2の層に配置された前記第2の樹脂材料とが上下方向で接合されているとともに、
前記第1の樹脂材料は、その長手方向において分子鎖配向が揃っていることを特徴とする複合樹脂材料。 A composite resin material including a plurality of types of resin materials,
The first layer and the second layer are repeatedly arranged in the stacking direction,
In the first layer, the first resin material is arranged with the first direction as a longitudinal direction and arranged with a gap in a second direction intersecting the first direction, and other than the first resin material The second resin material is arranged with the first direction as the longitudinal direction and arranged to fill the gap,
In the second layer, the first resin material is arranged with a third direction intersecting the first direction as a longitudinal direction and with a gap in a fourth direction intersecting the third direction. And the second resin material is arranged so that the third direction is a longitudinal direction and fills the gap,
As a result, the first resin material arranged in the first layer and the first resin material arranged in the second layer are joined in the vertical direction, and further arranged in the first layer. The second resin material and the second resin material arranged in the second layer are joined in the vertical direction,
The first resin material is a composite resin material characterized in that molecular chain orientation is aligned in the longitudinal direction.
第1の樹脂材料を、第1方向を長手方向として且つ前記第1方向と交差する第2方向において隙間を空けて形成し、更にその上層に、前記第1の樹脂材料を、前記第1方向とは交差する第3方向を長手方向として且つ前記第3方向と交差する第4方向において隙間を空けて形成することを繰り返し、
前記隙間には、第1の樹脂材料とは異なる第2の樹脂材料を埋め込む
ことを特徴とする、複合樹脂材料の製造方法。 In the method for producing a composite resin material,
A first resin material is formed with a first direction as a longitudinal direction and a gap in a second direction intersecting the first direction, and further, the first resin material is formed on the first layer in the first direction. And repeatedly forming the third direction intersecting the longitudinal direction and with a gap in the fourth direction intersecting the third direction,
A method of manufacturing a composite resin material, wherein a second resin material different from the first resin material is embedded in the gap.
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