JP2002113802A

JP2002113802A - 複合強化繊維基材およびプリフォーム

Info

Publication number: JP2002113802A
Application number: JP2000311889A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Hirahara; 武彦平原; Akira Nishimura; 明西村; Kiyoshi Honma; 清本間
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2002-04-16

Abstract

(57)【要約】【課題】取り扱い性に優れて、成形されたときに耐衝撃
性に優れる複合強化繊維基材を提供すること。【解決手段】本発明の目的は、強化繊維シートと、熱可
塑性繊維を一方向に配向した不織布とが積層され、か
つ、該強化繊維シートの繊維配向方向に該不織布の繊維
配向方向が平行になるように積層されていることを特徴
とする複合強化繊維基材によって達成される。また本発
明の目的は、該複合強化繊維基材を、強化繊維シートと
不織布とが交互になるように複数枚積層したプリフォー
ムによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維をはじめとする高強度、高弾性
率の強化繊維からなる繊維強化プラスチック（以下ＦＲ
Ｐと呼称）は、機械的性質に優れていることから、航空
機の構造材料として多用されている。

【０００３】ＦＲＰは繊維配向方向の機械的性質に極め
て優れるが、繊維軸から外れると機械的特性が急激に低
下する、すなわち大きな異方性があるから、航空機の構
造材料などは薄いプリプレグを多数枚積層し、ＦＲＰの
面方向には機械的特性が疑似等方性になるように積層さ
れ使用されることが多い。

【０００４】しかし、このようなＦＲＰ板に厚さ方向に
衝撃が加わると、各層の機械的特性は大きな異方性があ
るから、衝撃によってＦＲＰの層間にクラックが発生
し、層間が剥離して衝撃を受けたＦＲＰ板の圧縮強度が
大幅に低下させることが知られている。

【０００５】この対策として、たとえばプリプレグの表
面に熱可塑性粒子を付着させ、成形した積層体の層間に
粒子を配し、衝撃力によるクラックの伝播エネルギーを
粒子を破壊させることによって吸収し、層間剥離の面積
を小さくすることが行われている。この対策により衝撃
を受けたＦＲＰ板の残存圧縮強度が大幅に改善され、大
型民間航空機の一次構造材料として実用化されることに
なった。

【０００６】しかしながら、この方法は下記のようにＦ
ＲＰ構造材料の製造コストが高くなる。

【０００７】Ａ．粒子系が小さく、粒子系が均一な熱可
塑性粒子を製造するコストが高い。

【０００８】Ｂ．これらの粒子をプリプレグの樹脂表面
に均一に付着させるため、プリプレグの加工速度が遅く
なったり、また、Ｂステージ状態のマトリックス樹脂に
粒子が分散した樹脂フィルムを作製するなどの別の新た
な工程が必要となる。

【０００９】Ｃ．プリプレグの製造および成形条件によ
っては粒子はプリプレグやプリプレグの樹脂を硬化した
後のＦＲＰの層内に入り、正確に所定の粒子を層間に配
置させるのは困難である。

【００１０】Ｄ．プリプレグを使用してのオートクレー
ブ成形は、タックのあるプリプレグを使うから、プリプ
レグとプリプレグの間の空気を脱法しながらの積層が必
要であり、また、所定の構造材の厚みにするには薄いプ
リプレグを何層も積層することが必要となり手間がかか
る。

【００１１】原油の価格低迷もあり軽量化はさほどの経
済効果が得られず、航空機メーカからＦＲＰ構造材料の
製造コストダウンが強く要望されている。

【００１２】一方、最近成形型のキャビティに強化繊維
基材の積層体を充填し、樹脂を注入するレジン・トラン
スファー・モールディング（ＲＴＭ）成形法が低コスト
成形法として注目されている。しかし、この方法では積
層体の層間に熱可塑性粒子を正確に配置することはでき
ない。また樹脂のみの改善では耐衝撃性に優れる高靭性
なＦＲＰとすることは困難である。また、単に強化繊維
基材を積み重ねたのでは、各層の基材がずれ、取り扱い
が困難であるばかりか繊維配向が乱れ、所定の機械的特
性を有するＦＲＰを得ることは困難である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、この
様な状況に着目し、取り扱い性に優れて、成形されたと
きに耐衝撃性に優れる複合強化繊維基材を提供すること
にある。また、前記の複合強化繊維基材を使用して、繊
維配向が乱れず、ハンドリング性および成形されたとき
に耐衝撃性に優れるプリフォームを提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、強化繊
維シートと、熱可塑性繊維を一方向に配向した不織布と
が積層され、かつ、該強化繊維シートの繊維配向方向に
該不織布の繊維配向方向が平行になるように積層されて
いることを特徴とする複合強化繊維基材によって達成さ
れる。

【００１５】また本発明の目的は、該複合強化繊維基材
を、強化繊維シートと不織布とが交互になるように複数
枚積層したプリフォームによって達成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の複合強化繊維基材の一例
の斜視図を図１に示した。複合強化繊維基材１は、強化
繊維シート２（以下基材と呼称する）と一方向配向不織
布３（以下不織布と呼称する）が、基材２の繊維方向に
沿って積層一体化されたものである。

【００１７】図２は、強化繊維糸条４が基材２の長さ方
向、つまりたて方向に配列し、よこ方向に強化繊維糸条
より細い補助糸５が配列し、たて糸４とよこ糸５が交錯
し、織組織した一方向織物の片面に不織布３を一体化し
たものである。

【００１８】図３は、基材２の長さ方向、つまり織物の
たて方向に強化繊維糸条４と補助糸５が配列し、よこ方
向の補助糸５が配列し、よこ方向の補助糸５がたて方向
の補助糸６と交錯し、強化繊維糸条４がよこ糸５と交錯
することなく、真っ直ぐに配列した、いわゆる一方向ノ
ンクリンプ織物の片面に不織布３を一体化したものであ
る。

【００１９】このとき、一方向ノンクリンプ織物の強化
繊維が一方向に配置される場合、０．１〜５ｍｍの隙間
を設け平行に配列することにより、ＲＴＭ成型や真空バ
ッグ成型での樹脂流れが良くなり、かつ含浸速度が速く
なるため好ましい。

【００２０】また、図４は一方向シート状の強化繊維糸
条４と不織布３が積層され不織布３の繊維が強化繊維糸
条４に貫通して一体化している様子を示したものであ
る。不織布３を構成する短繊維７が不織布の内面で絡み
合い、また、強化繊維糸条４の途中まで貫通した短繊維
８からなっている。また、強化繊維層を完全に貫通した
繊維の方向が反転した繊維が再び貫通している状態であ
ってもよい。

【００２１】本発明に用いる強化繊維としては、ガラス
繊維、アラミド繊維、炭素繊維などの高強度・高弾性率
の強化繊維である。なかでも、引張弾性率が２００ＧＰ
ａ以上、引張強度が４．５ＧＰａ以上の炭素繊維は高強
度・高弾性率であるのみならず、耐衝撃性にも優れる。
また、強化繊維糸条の太さとしては、５５０デシテック
スから２７０，０００デシテックスの範囲が好ましい。
なお、炭素繊維糸条１本あたりのフィラメント数は５５
０デシテックスの場合、１０００本程度であり、２７
０，０００デシテックスでは４００，０００本程度であ
る。

【００２２】また、本発明に用いる強化繊維シートは、
強化繊維糸条を平行に引き揃えた一方向シートや、強化
繊維がたて方向かよこ方向のいずれか一方向に配向し、
該強化繊維より細い補助糸と織り組織している一方向織
物が適用できる。

【００２３】また、上記強化繊維シートの目付は、１０
０〜２０００ｇ／ｍ²のものが好ましく、一方向織物の
場合は１５０〜１５００ｇ／ｍ²がより好ましく使用さ
れる。

【００２４】また、上記強化繊維シートのカバーファク
ターは９５％以上が好ましい。ここでいうカバーファク
ターとは、シートの投影面積に対する強化繊維の占める
割合をいい、この数値が大きい程、隙間の小さい目の詰
まったシートであることを示すものである。従って、こ
の数値が大きいほどＦＲＰに成形した場合に均一な成形
体が得られ、特にカバーファクターが９５％以上ある
と、ほぼ均一なＦＲＰ成形体が得られて好ましい。

【００２５】また、本発明に用いる補助糸としては、低
熱収縮性のものであることが望ましい。加熱して成形す
る際、加熱によって補助糸が熱収縮すると、基材の幅が
狭くなって補助糸に直交している強化繊維糸条の密度が
増加し、強化繊維の分散状態に変化をもたらし、所定の
繊維含有率を有するＦＲＰが得られ難くなる。また、強
化繊維糸条に平行する補助糸が熱収縮すると強化繊維糸
条が局部的に曲がり、ＦＲＰにしたとき屈曲部で応力が
集中し、引張強度や引張弾性率が低下する場合がある。
従って、補助糸は、１００℃における熱収縮率が１．０
％以下のものが好ましく、０．１％以下のものがより好
ましい。このような補助糸としてはガラス繊維やポリア
ラミド繊維糸などを用いることができる。補助糸の繊度
は１１０デシテックス以上８９０デシテックス以下の細
い糸が好ましい。

【００２６】次に、強化繊維シートと組み合わせる不織
布は、成形型のキャビティに複合強化繊維基材の積層体
を充填し樹脂を注入する成形方法では、シートと不織布
が交互に積層されてＦＲＰ化することによって、補強繊
維と補強繊維の層間に形成される樹脂層に不織布層が配
置されるので、衝撃力によるクラックの伝播エネルギー
を熱可塑性繊維を破壊させて耐衝撃性を向上させること
ができる。

【００２７】しかし、樹脂層に配置される不織布は樹脂
の含浸性や、賦形性、所定の機械的特性などに大きく影
響を及ぼすため不織布であればどの様なものでもよいわ
けではない。

【００２８】本発明の複合強化繊維基材を構成する不織
布を説明する。複合強化繊維基材を皺を発生させずに複
雑形状の成形型に添わせる、すなわちフィットさせる場
合、型の曲面部で強化繊維や不織布の繊維の位置が部分
的にずれたりする。したがって、複合強化繊維基材には
変形に対する自由度が必要である。たとえば紙やフィル
ムなどは変形に対する自由度が無く、曲面部に添わせる
と必ず皺が発生する。また、不織布においてもメルトブ
ロー法やスパンボンド法などで得られる連続繊維不織布
や、カード法で得られる短繊維不織布の場合でも、高目
付で交絡度が大きい変形に対する自由度が小さい不織布
では、曲面部に添わせると皺が発生する。基材に皺が入
ると皺部で強化繊維が折れ曲がるので、ＦＲＰにすると
皺部が弱くなり、破壊の起点となるので好ましくない。

【００２９】通常、強化繊維シートや一方向織物などの
シート状物では強化繊維糸条間の拘束力がほとんどなく
２Ｎ程度のわずかな力を加えるだけで強化繊維糸条間で
ズレが発生したり織物の剪断変形によって交錯角度が変
化する。

【００３０】すなわち、複合強化繊維基材を構成する不
織布は、強化繊維の糸条間のズレや剪断変形によって強
化繊維が移動するに必要な力、つまり２Ｎ程度の小さな
荷重で同じ方向に同じ量だけ移動できるものでなければ
一体化した不織布が剥がれたり、余分な力を加えること
によって成形型にフィットしなくなったり基材に皺を発
生させたりすることになる。

【００３１】このような観点から、不織布の繊維は短繊
維で一方向に繊維が配向した不織布が好ましい。

【００３２】一方向に配向した不織布とは、微視的にみ
ると繊維全体が、単繊維同士または複数本の単繊維から
なる繊維束になって一方向に配向しているものでも良い
し、図５に示すように、繊維同士が一方向に配向してい
る部分９と、ランダムに配向した繊維１０とが混在して
いるものであってもよい。しかし、この図５に示すよう
な不織布の場合、賦形性を阻害しないために一方向に配
向している繊維量比率が、ランダムに配向した繊維量比
率より高いことが好ましい。ランダムに配向した繊維の
比率が高いと、変形が起こった場合にランダムに配向し
た繊維が伸びたり繊維が切断したりすることによって一
方向に配向している繊維の配向方向を阻害する恐れがあ
る。これらの観点から一方向に配向している繊維とラン
ダムに配向した繊維の繊維量比率は１００：０〜６０：
４０の範囲が好ましい。さらに好ましくは１００：０〜
７０：３０である。

【００３３】これらの一方向に配向した不織布を目視す
ると一方向に繊維が配向しているように見える。また、
一方向に配向している単繊維または繊維束同士の角度は
下記方法で測定した場合に±３０度以下であることが好
ましい。

【００３４】測定方法は、不織布を幅方向の端から５ｃ
ｍ内側と中央部について長手方向に１ｍ置きにそれぞれ
３０ｃｍ角に裁断し、合計２０枚のサンプルを作り、各
サンプルについて目視で見て一方向に配向している繊維
に平行になるように基準定規を置き、隣の一方向に配向
している繊維との交点を原点として基準定規で１０ｃｍ
離れた地点における隣の一方向に配向した繊維との距離
Ｈ（高さ）を直角定規にて測定し、角度θ＝ｔａｎ
^-1（Ｈｃｍ／１０ｃｍ）で求め、これを単純平均して求
める。

【００３５】この一方向に繊維が配向した不織布を、不
織布の繊維配向方向が強化繊維シートの繊維配向方向に
平行になるように配置して積層一体化させると、強化繊
維が糸条間のズレや剪断変形によって強化繊維糸条が移
動したときに強化繊維は隣接する強化繊維糸条との間に
平行移動が起こり変形、移動するので、一方向に繊維配
向した不織布のたて方向の繊維は強化繊維とおおむね同
じように平行に移動するので、不織布のたて方向の伸度
は強化繊維の伸度と同程度の小さなものであってもよ
い。ここで、平行になるように配置するとは、上記の効
果を奏する程度に平行であればよく、強化繊維シートの
配向方向と不織布の繊維配向方向が−１０度から＋１０
度の範囲にあることが好ましい。

【００３６】また、強化繊維との平行移動によって変
形、移動した変位量は、不織布のヨコ方向の伸度が高い
ものであれば吸収することができ、例えば一方向織物
（平織組織）の場合、剪断変形による最大変位量は、織
物ピッチの約４０％程度であることから、不織布の剪断
方向の伸度が４０％以上あれば織物基材の剪断変形に対
して不織布を追従させることが可能となる。しかし、不
織布の剪断方向の伸度とは、不織布のたて方向とよこ方
向の伸度が合成された方向であり、たて方向またはよこ
方向のいずれかの伸度が４０％以上あればよいというも
のではなく、あくまで剪断方向に４０％以上の伸度が２
Ｎ以下の力で伸長した時に得られるものが好ましい。

【００３７】一方向に繊維が配向した不織布としては、
２Ｎ荷重時の不織布の伸度が、不織布のたて方向伸張時
の伸度とよこ方向の伸張時の伸度の比が下式を満足する
ものが好ましい。

【００３８】Ｌｂ／Ｌａ≧１５Ｌａ（％）：２Ｎ荷重時のたて方向の不織布の伸度Ｌｂ（％）：２Ｎ荷重時のよこ方向の不織布の伸度Ｌｂ／Ｌａが１５以上であると強化繊維糸条のズレや剪
断変形によって強化繊維が移動した時に一体化された不
織布の繊維は剥がれたり皺になったりすることなく強化
繊維の移動に対して追従することが可能となる。一方、
Ｌｂ／Ｌａが１５以下になると一体化した不織布は強化
繊維のズレや剪断変形によって強化繊維が移動した場合
に追従できず基材から剥がれたりする場合がある。

【００３９】なお、上式のＬｂ／Ｌａの測定方法は、不
織布のたて方向とよこ方向について幅４ｃｍ、長さ１４
ｃｍなるようにそれぞれ５枚ずつ裁断し、引張試験を行
った。この時、裁断した不織布の試長が１０ｃｍになる
ように上下チャック共２ｃｍチャックにはさんで固定
し、３ｃｍ／ｍｉｎの引張速度で引張試験を行い、測定
後チャートから、荷重が２Ｎの時の変位量と伸度を求
め、各５枚のＬａとＬｂを単純平均してＬｂ／Ｌａを求
めた。

【００４０】また、本発明の不織布は、不織布と織物基
材との一体化を、不織布を形成する繊維が基材を形成す
る強化繊維層を貫通することによって行うという観点か
らも、繊維は短繊維となっていることが好ましく、通常
は２０〜１２０ｍｍで、僅かな繊維量でより強化繊維と
交絡数を多くするために繊維の端部数が多くなるように
するため２０〜７０ｍｍがより好ましい。同様に繊維径
もわずかな繊維量でより強化繊維層を貫通する繊維本数
を多くするために０．００５〜０．０３ｍｍが好まし
い。

【００４１】また、繊維を一方向に配向させた不織布で
あって同時に一体化した基材を容易に他数枚積層させる
という意味で、不織布を形成する繊維が低融点繊維とブ
レンドしたもの、または芯鞘糸の鞘部が低融点成分から
なる繊維をブレンドまたは単体で使用したもが好まし
い。

【００４２】この不織布はカード法などにより短繊維を
ブレンドし、ウエブ形成段階で一方向（長さ方向）に繊
維を引き揃え、熱風で熱融着させて作ることができる。
従って、不織布繊維の結節にも低融点繊維をブレンドす
ることは有効で、熱融着によらない他の、ニードルパン
チや空気や水などの流体による機械的結節方法によって
繊維を絡めて結節したものに比べ、結節力を保持するこ
とが容易である。また低目付な不織布を形成するために
は、熱風で熱融着させた不織布が好ましい。

【００４３】これらの不織布の目付は５〜３０ｇ／ｍ²
程度の低目付なものが好ましい。この範囲の下限値未満
であると、ＦＲＰ基材層間のインターリーフとしての不
織布の繊維量が少なくなり、十分な耐衝撃性向上が得ら
れない。また、この範囲の上限値を越えるとＦＲＰにお
ける強化繊維以外の繊維量が大きくなり、強度や弾性率
といった機械的特性が低下するので好ましくない。

【００４４】また、不織布を構成する繊維を形成するポ
リマーには、ポリアミド、ビニロン、ビニリデン、ポリ
エステル、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリウレ
タン、アクリル、ポリアラミド、ポリエーテルエーテル
ケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポ
リパラフェニレンベンゾビスオキサドール、ポリベンゾ
ビスオキサゾール、ポリグリルアミド、ＰＢＴ、ＰＶ
Ａ、ＰＢＩ、ＰＰＳなどが使用できる。

【００４５】なかでも結晶性の高いポリアミド系のナイ
ロン６、ナイロン６６の有機繊維と低融点の共重合ナイ
ロン繊維とのブレンドや芯部にナイロン６またはナイロ
ン６６、鞘部に低融点の共重合ナイロンを用いた繊維が
好ましい。特にナイロン６やナイロン６６は衝撃により
ＦＲＰの層間にクラックが発生しても、有機繊維の損傷
によって衝撃エネルギーが吸収されてクラックの進展を
抑え、僅かな繊維量で大きな耐衝撃性向上効果が得ら
れ、また、汎用的なポリマーなので不織布が安価となり
好ましい。

【００４６】不織布を構成する繊維を低融点繊維とブレ
ンドする場合、ブレンドする他の繊維より融点の低いも
のであればよく、例えば共重合ナイロン、変性ポリエス
テルやビニロンなどが使用でき、融点が不織布を形成す
る他の繊維より低く６０〜１６０℃程度のものである。

【００４７】また、不織布を構成する繊維が芯鞘型繊維
の場合、芯部のポリマーの融点は２００〜３００℃が好
ましく、鞘部を構成する低融点ポリマーは、融点が芯部
を構成するポリマーより低ければよく、融点が６０〜１
６０℃程度のものである。なかでも、鞘部が共重合ナイ
ロンで芯部がナイロン６またはナイロン６６の組み合わ
せは、同種のポリマーであるから芯部と鞘部がよく接着
する。また、芯部と鞘部のポリマーの融点差は５０℃以
上が好ましい。この範囲の下限値を下回ると芯部のポリ
マーと鞘部のポリマーとの温度差が小さくなり、鞘部の
ポリマーを溶融する際、芯部のポリマーまで溶融される
ことがあり、また、芯部の分子配向が乱れ芯部のポリマ
ーによる耐衝撃性改善効果が小さくなるからである。

【００４８】前記芯鞘型繊維において芯部の占める割合
が、繊維断面積の３０〜７０％の範囲が好ましい。芯部
の割合が３０％未満であると、衝撃エネルギーを吸収す
るポリマー成分が少なくなりＰＲＰの耐衝撃性を向上さ
せる効果が小さくなる。また、所定の衝撃エネルギーを
吸収させるには不織布の繊維量を大きくすることが必要
になり、ＦＲＰに占める強化繊維の割合が少なくなり、
ＦＲＰの機械的特性が低下する。一方、７０％を越える
と鞘部の低融点ポリマーの量が少なくなり、単体で不織
布を形成させた場合に基材との接着が不十分となる。

【００４９】また、不織布を形成する繊維に低融点の熱
可塑性ポリマーが含まれることによって、型に沿わせな
がら複合強化基材を賦形し、その上に複合強化繊維基材
を賦形しながら積層し、これを低融点繊維の融点以上に
加熱、加圧させて接着しながらプリフォームを形成する
ことが簡単にできるし、かつその他の繊維を耐衝撃性を
高めるためのインターリーフとして作用させることがで
きる。

【００５０】不織布における低融点繊維の割合は、あま
り少ないと不織布を形成する際の繊維同士の結合を弱め
たり、プリフォームを形成させるときの接着が不十分と
なり、また、多いとインターリーフとして作用が損なわ
れたりするので２０〜７０重量％、より好ましくは４０
〜６０重量％である。

【００５１】次に、本発明の複合強化繊維基材における
不織布と基材との一体化状態について説明する。不織布
を形成する繊維が基材を形成する強化繊維層を貫通する
ことによって基材と接合されることによって、フィット
性に優れ、不織布が基材のドレープ性を阻害することが
なく好ましい。かかる効果を発現させるためには、前記
貫通は１〜１００パンチ／ｃｍ²であることが好まし
く、２〜５０パンチ／ｃｍ²であることがより好まし
く、５から２０パンチ／ｃｍ²であることがさらに好ま
しい。

【００５２】不織布を形成する繊維を強化繊維に貫通さ
せるには、たとえば不織布を基材の上に置き、ニードル
パンチや、ウオータージェット、エアジェットなどの流
体によるパンチングなどの機械的接結法によって行うこ
とができる。中でもニードルパンチによるパンチングが
低目付の不織布を確実に強化繊維に貫通させることがで
き好ましく用いられる。

【００５３】なお、強化繊維と不織布の一体化は、成形
準備のため複合強化繊維基材を裁断したり、ハンドリン
グする際、基材と不織布が剥がれない程よく、繊維の絡
み度合いを強くする必要はない。

【００５４】また、本発明における不織布は、成形の
際、複合強化繊維基材の積層体の層方向への樹脂の含浸
性を確保する観点からポーラスな状態であることが好ま
しく、不織布を形成する繊維によって覆われない、すな
わち繊維が存在しない空隙部の占める割合が不織布全体
の面積の３０％〜９５％の範囲が好ましい。３０％以下
であると樹脂含浸速度が遅くなり、常温硬化型の樹脂を
使用した場合、樹脂が全体に行き渡らない状態で樹脂の
硬化が始まるので好ましくない。また、９５％以上であ
ると不織布の繊維量が少なくなり、本発明の目的とする
ＦＲＰの耐衝撃性向上効果が小さくなってしまう。より
好ましくは、４０％〜８０％の範囲である。

【００５５】また、本発明のプリフォームは、本発明の
複合強化基材を、基材と不織布とが交互になるように多
数枚積層したものである。

【００５６】また、本発明のプリフォームは不織布を形
成する繊維に含まれる低融点繊維の熱可塑性ポリマーを
加熱・加圧し、基材と不織布および多数枚積層した複合
強化繊維基材同士を型に賦形させた形で接着することが
好ましい。

【００５７】なお、プリフォームにおける基材の繊維配
向は基材同士が同じ方向となるように各層を積層しても
よいし、また繊維配向が０°、９０°、±４５°となる
ように、ＦＲＰにしたときの機械的性質が疑似等方性に
なるようにするなど、特に限定されるものではない。

【００５８】本発明のプリフォームは型に対するフィッ
ト性に優れる複合基材からなるから、プリフォームは型
との間に隙間を形成することなく密着した形に充填され
るので、ＦＲＰにしたとき表面層に樹脂過多層を作るこ
となく、また型に賦形する際、皺が入らないから、均一
に繊維が分散した表面が平滑なＦＲＰ成型品を得ること
ができる。

【００５９】また、本発明の目的である基材の層間に耐
衝撃性を高めるための繊維からなるインターリーフ層を
簡単に成型され、ＦＲＰの耐衝撃性が向上させることが
できるのである。

【００６０】本発明の複合基材は、従来から知られてい
る方法でＦＲＰを成形することができるが、なかでもレ
ジン・トランスファー成形法や真空バッグ成形法では大
型の成型品が安価に製造することができるので、好まし
く用いられる。

【００６１】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。実施例１強化繊維シートとして、繊度８０００デシテックス、引
張強度４８００ＭＰａ、弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度
２．１％、フィラメント数１２，０００本、糸幅６．５
ｍｍの扁平状の炭素繊維をたて糸に用い、よこ糸に２２
０デシテックスのガラス繊維糸を使用し、たて糸の密度
が３．７５本／ｃｍ、よこ糸の密度が３．０本／ｃｍ、
炭素繊維糸の目付が約３００ｇ／ｍ²の一方向織物を用
いた。同織物のカバーファクターは９９．７％と非常に
高かった。ここで、カバーファクターは次のようにして
求めた。

【００６２】すなわち、まず、実体顕微鏡、例えば株式
会社ニコン社製実体顕微鏡ＳＭＺ−１０−１を使用し
て、織物の裏面側から光を当てながら、織物の表面を撮
影する。これにより、織糸部分は黒く、織目部分は白
い、織物の透過光パターンが撮影される。光量は、ハレ
ーションを起こさない範囲に調節した。また、株式会社
ニコン社製ダブルアームファイバーの光をアクリル板で
反射させて投影画像の濃淡が均一になるよう調節した。
撮影倍率は、後の画像解析において、解析範囲に経糸お
よび緯糸がそれぞれ２〜２０本入るよう、１０倍以内に
設定した。次に、得られた写真をＣＣＤ(charge couple
d device)カメラで撮影し、撮影画像を白黒の明暗を表
すデジタルデータに変換してメモリに記憶し、それを画
像処理装置で解析して、全体の面積Ｓ１と、白い部分の
面積の総和Ｓ２とから、カバーファクターＣｆを次式、Ｃｆ＝〔（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１〕×１００から算出した。同様のことを、同じ織物について１０カ
所行い、その単純平均値をもってここでいうカバーファ
クターとした。また、ＣＣＤカメラおよび画像処理装置
として、株式会社ピアス社製パーソナル画像解析システ
ムＬＡ−５２５を使用した。画像解析の範囲は、横方向
は、最も左に写っている経糸の左端から最も右に写って
いる経糸の左端までとし、縦方向は、最も上に写ってい
る緯糸の上端から最も下に写っている緯糸の上端までと
し、この範囲に経糸および緯糸がそれぞれ２〜２０本入
るようにした。なお、デジタルデータには、織糸部分
（黒い部分）と織目部分（白い部分）との境界に黒と白
との中間部分が含まれる。この中間部分を織糸部分と織
目部分とに区別するため、モデル的に、透明な紙に幅６
ｍｍの黒いテープを６ｍｍ間隔で縦横に格子状に貼り付
け、カバーファクターが７５％になるように規格化し
た。すなわち、ＣＣＤカメラの絞りを２．８に設定し、
画像解析システムＬＡ−５２５のメモリ値が１２８以下
の部分を織糸部分として規格化した（このシステムで
は、白黒の明暗が０〜２５５段階のメモリ値として記憶
される）。

【００６３】また、同織物は、太いたて糸が細いよこ糸
で織り組織されており、たて糸の炭素繊維糸はほとんど
クリンプすることのない織物構造であるために、織り糸
がずれ易く不安定な織物であった。

【００６４】次に、繊維径が約０．０２ｍｍ、繊度が約
３．３デシテックス、繊維長が約７０ｍｍの融点が２６
０℃の高融点ナイロン短繊維を６０重量％と、繊維径が
０．０１６ｍｍ、繊度が約２．２デシテックス、繊維長
が約７０ｍｍの融点が１４０℃の低融点ナイロンを４０
重量％の割合でブレンドし、カード機にかけ、一方向に
引き揃えた後、熱風を吹き付けて低融点繊維を熱融着し
て、一方向に配向させた目付約８ｇ／ｍ²の不織布を得
た。

【００６５】得られた不織布についてＬｂ／Ｌａを求め
るために、不織布のたて方向とよこ方向について幅４ｃ
ｍ、長さ１４ｃｍなるようにそれぞれ５枚ずつ裁断し、
引張試験を行った。この時、裁断した不織布の試長が１
０ｃｍになるように上下チャック共２ｃｍチャックには
さんで固定し、３ｃｍ／ｍｉｎの引張速度で引張試験を
行った。測定後チャートから、荷重が２Ｎの時の変位量
と伸度を求め、各５枚のＬａとＬｂを単純平均してＬｂ
／Ｌａを求めた結果、その値は４２．８と高い値を示す
ものであった。

【００６６】上記の炭素繊維織物のたて糸方向と一方向
に繊維配向した不織布の繊維が平行になるようにし、炭
素繊維織物の上面に不織布を積層した後、フォスター社
製のニードル（１５×１８×４０×３．５ＲＢＦ．２
０６−３Ｂ／ＬＩ／ＣＣ）を針密度１０本／ｃｍ²と
なるようにセットし、ニードリングして炭素繊維織物と
不織布を一体化した複合強化繊維基材を得た。

【００６７】得られた複合強化繊維基材は不織布が剥が
れない程度に一体化されており、また、炭素繊維織物の
繊維配向をほとんど乱すことなく不織布繊維が貫通して
おり、また、不織布の配向した繊維が強化繊維シートの
たて糸方向と平行になって一体化されたものであった。
また、強化繊維シート単独では形態不安定であったが、
ニードルパンチで不織布と一体化させることにより、形
態が安定して取り扱い性が改善されていた。そして、基
材をカットしても織り糸が解れにくく、不織布自身に伸
縮性があるので、織物自信のフィット性を阻害されるこ
とがなく、曲面を有する成形型に容易に沿わせることが
可能であった。

【００６８】次に一体化基材のコンポジット特性を評価
するために真空バッグ成形で硬化板を作製した。

【００６９】用いた樹脂は３Ｍ社製エポキシ樹脂ＰＲ５
００で、１１０℃に樹脂を加熱して注入し、１７７℃×
４時間で硬化させた。

【００７０】積層方法は、強化繊維シートと不織布が交
互となる様に積層し、１枚積層する毎にアイロンで不織
布に含まれる低融点ナイロンを溶融させて互いに接着さ
せた。

【００７１】一体化基材がずれたり、皺が発生すること
なく成形型板上にセットすることができた。

【００７２】繊維体積割合（Ｖｆ）評価用の硬化板を、
３５０ｍｍ×３５０ｍｍサイズでカットし、同方向に６
枚積層して成形した。ここでＶｆとは不織布を除く強化
繊維の体積割合であり、下式より算出した。

【００７３】Ｖｆ（％）＝〔（強化繊維の目付×積層枚
数）／強化繊維の密度〕／成形品の厚みここで、強化繊維の目付は、成形前に使用する強化繊維
シートの重量を研精工業株式会社製の化学天秤にて測定
して算出した。また、成形品厚みは、成形後の硬化板の
端部と中央部合計９カ所を厚みゲージで測定し、その単
純平均で求めた。

【００７４】引張試験は、硬化板を幅２５．０ｍｍ×長
さ２５０ｍｍに切断し、両端にガラスタブを接着して引
張試験片とし、ＪＩＳＫ７０７３に基づき引張試験を
行い、破断荷重を測定し、引張強度を求めた。

【００７５】また、衝撃特性であるＣＡＩ（落錘衝撃後
の圧縮強度）評価用としては、一体化複合基材を３５０
ｍｍ×３５０ｍｍサイズに切断し、織物のたて糸方向を
０°、よこ糸方向を９０°として、積層構成は（±４５
°）／（０°、９０°）を６回繰り返して１２枚積層し
た上に、（０°、９０°）／（±４５°）の構成で１２
枚を対称積層し、それぞれ成形型板上にセットして
〔（±４５°）／（０°、９０°）〕_6Sの疑似等方板を
得た。

【００７６】かくして得られ平板から１０１．６ｍｍ×
１５２．４ｍｍの試験片を切り出し、ボーイング社試験
法ＢＭＳ７２６０記載の衝撃圧縮強度（ＣＡＩ）の測定
を行った。なお、この時の落錘衝撃のエネルギーは６７
Ｊ／ｃｍで行った。その結果、ＣＡＩは３２９．６Ｐａ
と高い値を示し、また、Ｖｆおよび引張強度は５９％、
２３３５ＭＰａと本発明の複合強化繊維基材は複合材料
用基材として優れていることが判った。

【００７７】実施例２炭素繊維からなる強化繊維シートは実施例１と同じもの
を用いた。不織布としては、鞘部に軟化点１１０℃のイ
ソフタル酸を共重合したポリエステル、芯部に融点２５
５〜２６０℃のポリエステルを用い、芯部と鞘部の繊維
断面積の割合が５０％対５０％であり、繊維径が約０．
０２ｍｍ、繊度が約３．９デシテックスの芯鞘糸を作
り、該芯鞘糸を繊維長が約７０ｍｍになるようにしてカ
ットした短繊維をカード機にかけて一方向に引き揃えた
後、熱風を吹き付けて鞘部の低融点成分を溶融して一方
向に配向させた目付約８ｇ／ｍ²の不織布を得た。得ら
れた不織布のＬｂ／Ｌａは実施例１と同様の方法で測定
した結果、３８．３と高い数値を示すものであった。

【００７８】上記の炭素繊維基材と不織布を実施例１と
同じ条件で一体化した結果、炭素繊維織物の繊維配向を
ほとんど乱すことなく不織布繊維が貫通しており、実施
例１と同様の良好な複合強化繊維基材が得られた。

【００７９】次に、実施例１と同じ条件で一体化基材の
コンポジット特性を評価するために真空バッグ成形で硬
化板を作製した。積層は不織布の鞘部の低融点成分を溶
融させて互いに接着させた結果、一体化基材がずれた
り、皺が発生することなく成形型板上にセットすること
ができた。ＣＡＩの評価結果を行った結果、３１８．５
Ｐａと実施例１同様に高い数値を示した。またＶｆおよ
び引張強度は５８％、２３２８ＭＰａと実施例１と同様
本発明の複合基材として優れていることが判った。

【００８０】比較例１実施例１と比較する目的で不織布を一体化せず、炭素繊
維織物のみを用いた以外は実施例１と同じ方法一体化基
材を作成し、評価した。

【００８１】強化繊維シートが不安定であるため、基材
を炭素繊維方向にカットすると炭素繊維が解れる問題や
取り扱い性が悪いために積層時の繊維配向が乱れる問題
があり、積層に時間を要した。

【００８２】また、実施例１と同様にＣＡＩの評価を行
った結果、１４０．０Ｐａと実施例１に比べ低い値を示
した。なお、Ｖｆおよび引張強度は６１％、２１３１Ｍ
Ｐａであった。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複合強化
基材は一方向に配向した不織布の繊維が強化繊維と同方
向に配向して積層一体化することによって、成形型に対
するフィット性に優れ、皺を発生させずプリフォームを
形成することができる。

【００８４】また、本発明のプリフォームは基材の層間
に繊維からなる不織布層が存在するから、耐衝撃性に優
れるＦＲＰとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる複合強化繊維基材の概念を示す
部分破断斜視図。

【図２】本発明に係わる複合強化繊維基材で、構成基材
が一方向織物の場合の斜視図。

【図３】本発明に係わる複合強化繊維基材で、構成基材
が一方向ノンクリンプ織物の場合の斜視図。

【図４】強化繊維糸条に不織布の繊維が貫通により一体
化している状態を示すモデル図。

【図５】一方向に配向した不織布の一例。

【符号の説明】

１：複合強化繊維基材２：強化繊維シート３：一方向配向不織布４：強化繊維糸条５：よこ方向補助糸６：たて方向補助糸７：不織布の繊維８：不織布の繊維９：一方向に配向した不織布の繊維１０：ランダムに配向した不織布の繊維

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｂ２９Ｋ 105:10 Ｂ２９Ｋ 105:10 Ｆターム(参考） 4F072 AB06 AB10 AB24 AB28 AB29 AD44 AG22 AK05 AK06 AK14 AL02 AL16 4F100 AD11A AK48 AK53 BA02 BA08 BA23 DG12A DG15B DG17B DG20B DH00A DH01A EC03 GB31 JA13B JA20A JB16B JK02 JK08B JK10 JK11 JK14 JL01 YY00A YY00B 4L047 BA07 CA04 CB01 CC13 EA02 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強化繊維シートと熱可塑性繊維を一方向に
配向した不織布とが積層され、かつ、該強化繊維シート
の繊維配向方向に該不織布の繊維配向方向が平行になる
ように積層されていることを特徴とする複合強化繊維基
材。
【請求項２】該強化繊維シートが、強化繊維を平行に配
向してなる一方向シートである請求項１記載の複合強化
繊維基材。
【請求項３】該強化繊維シートが、強化繊維を並行に配
列し、該強化繊維より細い補助糸で織り組織している一
方向織物である請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項４】該強化繊維が炭素繊維である請求項１記載
の複合強化繊維基材。
【請求項５】強化繊維糸条の繊度が５５０から２７００
００デシテックスであって、かつ該強化繊維糸条１本あ
たりのフィラメント数が１０００から４０００００本で
ある請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項６】前記強化繊維シートの目付が１００から２
０００ｇ／ｍ²である請求項１記載の複合強化繊維基
材。
【請求項７】前記強化繊維シートのカバーファクター
が、９５％以上である請求項１記載の複合強化繊維基
材。
【請求項８】不織布の繊維が、強化繊維シートに貫通し
て一体化している請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項９】不織布が、２Ｎ荷重時の伸度において、下
式を満足する請求項１記載の複合強化繊維基材。Ｌｂ／Ｌａ≧１５Ｌａ（％）：２Ｎ荷重時のたて方向の不織布の伸度Ｌｂ（％）：２Ｎ荷重時のよこ方向の不織布の伸度
【請求項１０】不織布を形成する繊維のうち、２０から
７０重量％が低融点繊維である請求項１の複合強化繊維
基材。
【請求項１１】不織布を形成する繊維が、鞘部が芯部よ
り融点の低いポリマーからなる芯鞘型繊維であって、か
つ、該芯鞘型繊維の芯部の占める割合が、芯鞘型繊維断
面積の３０から７０％である請求項１記載の複合強化繊
維基材。
【請求項１２】不織布を形成する熱可塑性繊維がポリア
ミド系繊維である請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項１３】不織布が熱融着されて形成された不織布
である請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項１４】不織布の目付が５ｇ／ｍ²から３０ｇ／
ｍ²である請求項１記載の複合強化繊維基材。
【請求項１５】不織布において、空隙部の占める割合が
不織布全体の面積の３０％から９５％である請求項１記
載の複合強化繊維基材。
【請求項１６】請求項１ないし１５のいずれかに記載の
複合強化繊維基材を、強化繊維シートと不織布とが交互
になるように多数枚積層したことを特徴とするプリフォ
ーム。
【請求項１７】該複合強化基材同士が、不織布に含まれ
る低融点繊維の溶着により一体化されている請求項１６
記載のプリフォーム。