JP2004314315A

JP2004314315A - Ｆｒｐ製薄板およびその製造方法

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Publication number: JP2004314315A
Application number: JP2003107471A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Ito; 俊弘伊藤; Takeshi Tanaka; 剛田中; Koji Kotani; 浩司小谷
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP4370797B2

Abstract

【課題】表面積の大きさに比して、肉厚が極めて薄いＦＲＰ製薄板１を製作するに際して、強度や耐食性などの特性を保持するとともに、特に表面平滑性に優れたＦＲＰ製薄板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のＦＲＰ製薄板１は、補強繊維基材Ａ、Ｂにマトリックス樹脂が含浸され、表面積の大きさに比べて肉厚が薄いＦＲＰ製の薄板であって、前記補強繊維基材が、経糸８と緯糸９方向の単位面積当たりの重量目付比を１：１〜１：４の範囲内とする織物製基材Ａと、重量目付比を１：５〜１：３０の範囲内とする織物製基材Ｂとからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械に組み込まれるＦＲＰ製部品に関するもので、詳しくは液体や綿状物などが直接接触するトレイやセパレータ板など、特に表面が極めて平滑な条件が要求され、かつ、耐食性に優れ、軽量で高剛性を必要とする用途に適用されるＦＲＰ製薄板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液体や綿状物などが直接接触するトレイやプレート、プレートが複数列ぶセパレータ板などは、ステンレス、アルミニウム製の金属板や、射出成形のプラスチック製品等が採用されてきた。そして、近年はＦＲＰ製のものが強度・剛性、耐食性および耐菌性、軽量化の観点から有望視されている。
【０００３】
しかし、上記ＦＲＰ製のものは、強度・剛性等に関しては所定の性能を有しているが、液体や綿状物などとの接触媒体としては、そのもの自体での表面平滑性の優れた製品が得られず、塗装したり、コーティングしたり、別の部材をラミネートしたりする表面処理を施して、要求される表面平滑性を確保しているのが現状である。何故、上記のような表面処理を施す必要があるのかというと、従来これらの成形法が樹脂を予め含浸したシート状のプリプレグ基材を積層し、加温した金属プレート間で成形するプレス装置を用いた加圧加熱成形法や、成形型上に前述のプリプレグ基材を積層し、フイルムでバギングして真空とするとともに、加圧缶（オートクレーブ）内に入れ、不活性ガスにより加圧する真空加圧成形法で成形していたため、特に表面積の大きさに比して、肉厚が極めて小さい薄板の場合は表面の気泡がトラップされて十分に抜けきらず、また、表面にピット（ボイド、樹脂欠け等）が残存し、平滑性の優れた成形体を得ることが困難であったからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような表面処理法は、使用中に剥がれたり脱落したりするため、表面平滑性を維持することは不可能である。
【０００５】
一方、前述の成形法とは異なり、成形と同時に表面に平滑性を賦与する成形法も従来から存在していた。例えば、特許文献１には、いわゆるバキュームアシスト・レジントランスファーモールディング法（以下、ＶａＲＴＭ法と言う）によるＦＲＰの成形法が提案され、所定の効果が得られていた。しかし、前述したように、本発明の目的とする表面積の大きさに比して、肉厚が極めて薄いＦＲＰ製薄板を得ようとする場合、含浸時の樹脂の流れが均一でなく、ドライスポットと言われる未含浸部分の発生が多々あり、良品を得ることは難しい問題があった。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６２５７８５８号明細書（第７頁、第４図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、表面積の大きさに比して、肉厚が極めて薄い薄板を製作するに際して、強度や耐食性などの特性を保持するとともに、特に表面平滑性に優れたＦＲＰ製薄板およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＦＲＰ製薄板は、補強繊維基材にマトリックス樹脂が含浸され、表面積の大きさに比べて肉厚が薄いＦＲＰ製薄板であって、前記補強繊維基材が、経糸と緯糸方向の単位面積当たりの重量目付比を１：１〜１：４の範囲内とする織物製基材Ａと、重量目付比を１：５〜１：３０の範囲内とする織物製基材Ｂとからなることを特徴とする。
【０００９】
ここで、本発明で言う「薄板」とは、肉厚が例えば３ｍｍとすると、その幅および長さは肉厚の１００倍以上（この場合、幅および長さは３００ｍｍ以上となる。）のものを指す。なお、本発明のＦＲＰ製薄板が肉厚のみならず、その幅および長さまで問題視するのは、基材への樹脂注入による幅および長さ方向に対する成形性の問題があるからである。
【００１０】
かかる構成を備えた本発明のＦＲＰ製薄板は、ＦＲＰ製であるから基本的に錆発生の問題がなく、耐食性にも優れ、別の部材を用いることなく、その表面に優れた表面平滑性が得られる。よって、トレイやプレートとして用いた場合、耐久性の大幅な向上が可能となり、耐用年数の大幅な延長も可能である。
【００１１】
また、上記課題を解決するため、本発明のＦＲＰ製薄板の製造方法は、成形型のキャビティ内に補強繊維基材を所定の枚数積層後、前記キャビティ内を減圧しつつ、成形時の初期粘度が５０ｍＰａ・ｓ以下であるマトリックス樹脂を、重量目付の大きな繊維配列方向に流すことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＦＲＰ製薄板およびその製造方法の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１および２は、それぞれ本発明の一実施態様に係るＦＲＰ製薄板およびその製造方法を例示したものである。すなわち、図１は、本発明のＦＲＰ製薄板における補強繊維基材の積層状態の一実施態様を示す斜視図であり、図２は、本発明の製造方法の樹脂含浸工程の一実施態様を示す断面図である。
【００１４】
図１において、本発明のＦＲＰ製薄板１は、織物基材Ａと、織物基材Ｂの積層体２とが交互に積層され、これら基材に図示省略の後述する樹脂が含浸されてなるものである。
【００１５】
ここで、それぞれの補強繊維基材を構成する補強繊維としては、用途や使用条件に応じて、適宜ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などを用いることができる。軽量・高強度のＦＲＰを得るためには、炭素繊維がより好ましいが、コストとのバランスを取るため、ガラス繊維／炭素繊維のハイブリッドのものもさらに好ましく用いられ、その体積比率は、１：０．０５〜１：１の範囲が最も好ましい。
【００１６】
炭素繊維の種類としては、炭素繊維の高い強度・剛性の観点からは特に制限されないが、より低コストであることを考えると、いわゆるラージ・トウの炭素繊維を用いることが好ましい。たとえば、炭素繊維糸１本のフィラメント数が通常の１０，０００本未満のものではなく、１０，０００〜３００，０００本の範囲、より好ましくは５０，０００〜１５０，０００本の範囲にあるトウ状の炭素繊維フィラメント糸を使用する方が、樹脂の含浸性、強化繊維基材としての取扱い性、さらには強化繊維基材の経済性においてより優れる。また、必要に応じて、あるいは要求される機械特性等に応じて、強化繊維の層を複数層に積層して強化繊維基材を形成し、その強化繊維基材に樹脂を含浸する。積層する強化繊維層には、一方向に引き揃えた繊維層や織物層を適宜積層でき、その繊維配向方向も、要求される強度の方向に応じて適宜選択できる。
【００１７】
図１の各基材の形態は、基材Ａとしては、経糸に３０００本の炭素繊維フィラメント糸を、緯糸に３０００本の炭素繊維フィラメント糸を用いた平織り組織の織物とし、基材Ｂとしては、経糸に３０００本の炭素繊維フィラメント糸を、緯糸に１２０００本の炭素繊維フィラメント糸を用いた平織りのシートとしたものであるが、これに限定されず、例えば基材Ｂにおいては経糸を２２５デニールのガラス繊維としても良い。
【００１８】
そして、両基材は、表面平滑性および意匠性の観点から、織りによるフィラメント糸の屈曲が小さく、かつ、経糸および緯糸の重量目付比がほぼ同じである基材Ａと、マトリックス樹脂の含浸性が良いラージ・トウを樹脂を流す方向に配置し、含浸性を阻害する経糸本数を少なくした基材Ｂとで構成されている。樹脂の基材に対する含浸性は、繊維軸方向に流すのが抵抗が少なく好ましいからで、このことが重量目付比の異なる２形態の基材を用いる所以である。これら両基材の経糸と緯糸のそれぞれの重量目付比は、基材Ａにおいては１：１〜１：４の範囲内であり、好ましくは１：１〜１：２の範囲内である。また、基材Ｂにおいては、１：５〜１：３０の範囲内であり、好ましくは１：１０〜２０の範囲内である。これら両基材に、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等からなる熱硬化性樹脂を含浸・硬化させることによって、ＦＲＰとした時の繊維体積含有率が３０〜６５％の範囲内とすることが可能であり、本発明のように重量目付比の異なる２種の基材を用いることにより、強度・剛性の発現率が最も高い４０〜６０％の領域の繊維体積含有率を有するＦＲＰ製薄板が得られる。
【００１９】
次に、上記ＦＲＰ製薄板の製造方法を説明する。
【００２０】
図２は、このときの樹脂含浸工程における本発明の製造方法を示したものであり、上部の成形型３は、例えば、金属からなる板状のもので、樹脂注入口５とキャビティ３ａ内を減圧するための吸引口６を備え、下部の成形型には得ようとする成形体の厚み分のキャビティ３ａを有し、周辺部には、シール材４を配置するための溝を備えたものであり、成形型３の加熱は図示しない熱媒や電熱により加温することができるようになっている。
【００２１】
製造方法としては、上記構成の成形型３に対し、まず、図１で説明した基材Ａ、Ｂからなる積層体２を成形型３のキャビティ３ａの中に置く。
【００２２】
ここで、重要なのは、如何にして表面の平滑なＦＲＰ製薄板を得るかである。成形型を製作する際の成形型面の平滑性は言うまでもなく、成形して得られるＦＲＰ体の表面平滑性を得るには、樹脂の含浸性が良い炭素繊維を用いるのが好ましい。また、本発明のように、生の基材を積層後、樹脂を含浸させるＶａＲＴＭ法においては成形後の繊維体積含有率は、３０〜６５％の範囲になるように設定するのが好ましく、より好ましくは４０〜６０％である。３０％未満にすると、表面が樹脂リッチとなり、硬化収縮を起こして表面平滑性が損なわれ、６５％を越えると含浸性が極めて悪くなるからである。
【００２３】
しかしこれだけでは、表面平滑性の優れた製品を得ることは出来ない。つまり、更に樹脂の流れを良くする必要があり、図１における経糸８および緯糸９方向の単位面積当たりの重量目付比を１：１〜１：４とする織物基材Ａと、１：５〜１：３０とする織物基材Ｂを概ね交互に配置し、マトリックス樹脂を、繊維重量目付の大きい方向の繊維配列方向に積層体２の端面から図１の矢印方向に流すことが肝要である。そのためには、図１の積層状態の基材Ａ、Ｂの、図２の成形型のキャビティ３ａ内への配置位置は、キャビティ３ａ内での樹脂流れが基材Ｂの緯糸９方向と一致するように配置することが大切である。つまり、炭素繊維等のフィラメント糸を織機に掛けて製織することによって得られる織物基材Ｂ（この場合の基材Ｂは緯糸９の方向に、繊維を多く配置し、糸の屈曲を小さくした織物）は、樹脂流れに沿う方向に屈曲部がない分、樹脂の流動抵抗が少ないので、樹脂は当然その緯糸９方向に流れ易くなる。ここで織物基材Ａと織物基材Ｂを概ね交互に配置するのは、織物基材Ａは経糸８と緯糸９の比率がほぼ同じであるため、樹脂流路中に屈曲部が存在することになるため織物基材Ｂ内部よりは樹脂の含浸速度が遅くなり、樹脂流れに乱流が生じることなく、樹脂を繊維配列方向と並行に層流状態で流すことができるからである。したがって、最外層には、流れが緩やかとなる織物基材Ａを配置するのが好ましく、このような配置にすると樹脂のショートパスによる未含浸部分が少なくなる効果がある。また、フィラメント糸を約１〜３ｍｍの長さにカットし、ＰＶＡなどのバインダーで抄紙することによって得られるマット基材は、成形品の表面に配置することによって、織物基材での織り目交差部の樹脂リッチ部をなくすことができ、より平滑な面が得られ、さらに、積層する連続繊維からなる織物基材や一方向基材間の層間剥離強度を増す効果があるので好ましい。
【００２４】
樹脂含浸工程が終わったら、次は成形型３を７０〜８０℃の範囲内の温度に加温し、吸引口６から空気を図示しない真空ポンプで排出し、キャビティ３ａ内を減圧する。その時の減圧度は、−０．０８〜−０．１ＭＰａの範囲が良く、さらに好ましくは−０．０９〜−０．１ＭＰａの範囲である。
【００２５】
一方、マトリックス樹脂は、対向する樹脂注入口５から注入するわけであるが、予め、容器内で５０〜７０℃の範囲内の温度で攪拌しつつ、減圧しておき、樹脂内の気泡を１容積％以下になるまで脱泡する。このようにすることによって、ＦＲＰ製薄板の表面にピットが生成することが避けられる利点がある。前記樹脂温度をこの範囲としたのは、５０℃以下では粘度が高いため十分脱泡できなく、７０℃以上では樹脂の劣化が進展するからである。
【００２６】
次に、７０〜８０℃の範囲に保持した成形型３のキャビティ３ａ内に、樹脂注入口５から前記脱泡した樹脂を流し込む。ここでその温度を７０〜８０℃としたのは、含浸時初期の樹脂粘度が５０ｍＰａ・ｓ以下となるため、含浸完了まで急激な粘度上昇を伴わず、積層体２の一方の端面７から、繊維目付の大きな方向に樹脂を流すことにより容易に樹脂を含浸することができるからである。成形型の温度を８０℃を超える温度とすることは、粘度が急激に上昇し、硬化が急激となって全域に樹脂が流動せず、未含浸部が発生することになる。一方７０℃未満では粘度が高く樹脂が容易に流れない。特にＦＲＰ製薄板の表面積が大面積の成形体を得るときには上記のような温度管理が重要となる。
【００２７】
次に、全域に樹脂が回った時点で、樹脂注入口５を閉止し、成形型を９０〜１２０℃に昇温して、所定の時間保持し硬化させる。このとき前述の減圧度は維持する。その後、降温して型より成形体を脱型し、本発明のＦＲＰ製薄板１を得る。
【００２８】
なお、図２では、上下に分割した成形型３を用いた製造方法を示しているが、上型の代わりに金属プレートを積層体２の上面に置き、その上からナイロンなどのフィルムでバギングする成形方法であっても良い。
【００２９】
【実施例】
図１の基材において、補強基材として、経糸８および緯糸９に東レ株式会社製炭素繊維Ｔ３００−３０００を２５ｍｍ間に１２．５本配置した平織組織の、経糸方向重量目付９９ｇ／ｍ^２、緯糸方向重量目付９９ｇ／ｍ^２である織物製基材Ａと、経糸に東レ株式会社製炭素繊維Ｔ７００−１２０００を２５ｍｍ間に７．８本配置した経糸方向重量目付２５０ｇ／ｍ^２、緯糸に東レ株式会社製炭素繊維Ｔ３００−３０００を２５ｍｍ間に２．５本配置した緯糸方向重量目付２０ｇ／ｍ^２である平織組織の織物製基材Ｂとを用意し、金型の成形面を０．４ｓの粗さに研磨したスチール製の金型、図では水平方向に７００ｍｍの巾で、図の奥行き方向に１０００ｍｍ、深さ３ｍｍの凹みを設けた金型に、織物製基材Ａ／織物製基材Ｂ／織物製基材Ａ／織物製基材Ｂ／織物製基材Ａの順に積層した。この時、織物製基材Ｂの緯糸（重量目付が大きい方向）が樹脂注入口側から吸引口側に配向するように積層することが重要である。そして、上型を載せ温度を７５℃に加温するとともに、キャビティ内を−０．０９５ＭＰａに減圧した。別途、マトリックス樹脂として、ビスフェノール系のエポキシ樹脂を７０℃で攪拌しながら加温し、かつ、−０．０９ＭＰａで、容積率で１％以下（樹脂容積１００％）となるまで真空脱泡した。硬化剤も同様に脱泡し、両者を調合し、液温が５０℃となるように調整して、金型の樹脂注入口から樹脂を注入した。吸引口から樹脂が出だしたら樹脂注入を止め、樹脂注入口を閉止し、金型温度を１００℃に昇温し、３時間加熱硬化して加熱のみ止め、自然冷却した。型温が４０℃以下となった時点で型から成形品を脱型し、幅６８０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚み３ｍｍのＦＲＰ製薄板を得た。
【００３０】
得られた成形品の表面観察を行ったが、ピットもなく、表面粗さが０．４ｓの表面平滑性に優れたものが得られた。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のＦＲＰ製薄板およびその製造方法によれば、薄板材質がＦＲＰ製であるため、軽量で取扱性が良く、所定の強度・剛性を保持し、基本的に錆の発生の問題がなく、耐食性にも優れたものが得られる。
【００３２】
また、経糸および緯糸の重量目付比がほぼ同じ基材と、樹脂の含浸方向に補強繊維の重量目付が大きな基材を補強基材として積層したので、基材に対する樹脂含浸が促進され、従来品のように別の表面処理を施すことなく、優れた表面平滑性を要する薄板が得られる。よって、本発明のＦＲＰ製薄板およびその製造方法は、ＦＲＰ製薄板の耐久性の大幅な向上が可能となり、耐用年数の大幅な延長も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＦＲＰ製薄板における補強繊維基材の積層状態の一実施態様を示す斜視図である。
【図２】本発明のＦＲＰ製薄板の製造方法の樹脂含浸工程における一実施態様を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ織物基材
１ＦＲＰ製薄板
２積層体
３成形型
３ａキャビティ
４シール材
５樹脂注入口
６吸引口
７端面
８経糸
９緯糸

Claims

補強繊維基材にマトリックス樹脂が含浸され、表面積の大きさに比べて肉厚が薄いＦＲＰ製薄板であって、前記補強繊維基材は、経糸と緯糸方向の単位面積当たりの重量目付比を１：１〜１：４の範囲内とする織物製基材Ａと、該重量目付比を１：５〜１：３０の範囲内とする織物製基材Ｂとが積層されたものであることを特徴とするＦＲＰ製薄板。
前記肉厚は、幅および長さの１／１００以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ製薄板。
前記補強繊維基材が、少なくとも炭素繊維からなり、繊維体積含有率が３０〜６５％の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ製薄板。
前記マトリックス樹脂が、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ製薄板。
成形型のキャビティ内に補強繊維基材を所定の枚数積層後、前記キャビティ内を減圧しつつ、成形時の初期粘度が５０ｍＰａ・ｓ以下であるマトリックス樹脂を、重量目付の大きな繊維配列方向に流すことを特徴とするＦＲＰ製薄板の製造方法。
樹脂を５０〜７０℃の範囲内の温度で攪拌しつつ減圧することにより樹脂内の気泡を１容積％以下の量に脱泡した後、７０〜８０℃の範囲内の温度に保持した成形型のキャビティ内に前記樹脂を注入することにより補強繊維基材に樹脂を含浸させ、しかる後に成形型を９０〜１２０℃の範囲内の温度に昇温し、一定時間保持した後硬化させることを特徴とする請求項５記載のＦＲＰ製薄板の製造方法。
キャビティ内の減圧度は、−０．０８〜−０．１ＭＰａの範囲内であることを特徴とする請求項６記載のＦＲＰ製薄板の製造方法。