JP2005023469A

JP2005023469A - バイアス強化繊維シート

Info

Publication number: JP2005023469A
Application number: JP2003189826A
Authority: JP
Inventors: Kanji Miyao; 巻治宮尾; Koichi Kishimoto; 宏一岸本
Original assignee: Nippon Steel Composite Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】バイアス強化繊維シートの長手方向、或いは、バイアス強化繊維シートの幅方向に、引っ張り力が加わった場合においても、強化繊維の配向角度が変わることがなく、品質の面で十分に満足し得る、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製することのできる連続したバイアス強化繊維シートを提供する。
【解決手段】強化繊維４の配向角度（α）がバイアス強化繊維シート１の長手方向軸線に対して所定の角度となるようにしてバイアス強化繊維シート１の長手方向に沿って整列して形成される少なくとも１層の強化繊維層３の少なくとも片面に樹脂透過性支持体シート２を配置し、強化繊維層３と樹脂透過性支持体シート２とをバイアス強化繊維シートの長手方向に沿ってステッチング（Ｓ）することにより一体化する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＲＰ成型品の中間基材或いは構造材として、又は、照明柱、標識柱、電柱などに使用されている金属管柱或いはプラスチック管の補強材として、更には、土木、建築構造物の補強材などとしても好適に使用し、捩じり剛性の向上を図ることのできる連続したバイアス強化繊維シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、飛行機の翼、胴体、風車のブレード、更には、船舶、自動車などの大型構造物を作製する場合に、例えばＩ型、Ｈ型、Ｔ型、Ｌ型、又は、シャフト或いはパイプなどのロッド状或いは管状などとされる連続した長尺の繊維強化プラスチック構造材が使用されている。
【０００３】
このような長尺の繊維強化プラスチック構造材は、強化繊維が主軸方向に沿って配列された一方向配列強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸させてモールドへと連続して送給し成形する、所謂、引抜成形法にて作製することができる。
【０００４】
又は、強化繊維シートに予めエポキシ樹脂などをホットメルトで含浸させたプリプレグを作り、そのプリプレグを複数層重ねながら所定の形状になるように連続的に加熱、加圧を行うことで長尺の繊維強化プラスチックを成形することができる。
【０００５】
しかしながら、このようにして形成された繊維強化プラスチック構造材は、所望の曲げ強度及び剛性は達成し得るが、一方向繊維の成形品であるため、捩じり剛性が弱いという問題がある。
【０００６】
そこで、従来、捩じり剛性を得るために、強化繊維を例えば４５°方向に配列した強化繊維シートを繊維強化プラスチック構造材に貼付することが行われている。
【０００７】
そこで、本発明者らは、特許文献１に記載されるように、捩じり剛性をも向上した連続した成形品を引抜成形法などの成形法により作製することを可能とする、強化繊維が主軸に対して、例えば４５°方向に配列された連続した強化繊維シートを提案した。
【０００８】
つまり、特許文献１に記載の強化繊維シートは、図８に示すように、連続した樹脂透過性支持体シート２と、実質的に一定長さの長繊維とされる強化繊維４が樹脂透過性支持体シート２の長手方向に対して所定の角度（α）をもって且つ樹脂透過性支持体シート２の長手方向に沿って配列され、樹脂透過性支持体シート２に保持された強化繊維層３とを有し、連続したシート形状を成す樹脂未含浸の連続強化繊維シート１Ａである。通常、この連続強化繊維シート１Ａは、幅（Ｗ）が１０〜３００ｃｍ、長手方向の長さ（Ｌ）が１０ｍ以上とされる。
【０００９】
実際に、連続した縦糸５及び横糸６からなるメッシュ状支持体シート２の上に所定長さＦの強化繊維４を、主軸に対して所定の角度、例えばα＝４５°をなして配列して、メッシュ状支持体シート２にて接着保持することにより、強化繊維４が４５°方向に配列した、所謂、連続したバイアス強化繊維シート１Ａを好適に作製することができる。このような構成とされる連続バイアス強化繊維シートは、十分引抜成形加工に使用することができ、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製し得るものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−５３６８３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の連続強化繊維シート１Ａを製造するには、
（ａ）樹脂透過性支持体シート２を連続して供給し、
（ｂ）同時に、樹脂透過性支持体シート２と積層するように、実質的に一定長さＦの長繊維とされる強化繊維４を樹脂透過性支持体シート２の長手方向に対して所定の角度αをもって供給し、更に、
（ｃ）樹脂透過性支持体シート２と、強化繊維４により形成され、樹脂透過性支持体シート２と積層された強化繊維層３とを加熱圧着する、
ことが必要とされる。
【００１２】
つまり、上記連続強化繊維シート１Ａを製造するには、その製造設備が複雑であり、また、製造コストが比較的高いという問題がある。
【００１３】
更に重要なことは、斯かる構成のバイアス強化繊維シートは、その強化繊維層３が、樹脂透過性支持体シート２により加熱圧着されて支持されているとはいえ、バイアス強化繊維シートの長手方向、或いは、シート長手方向に対して直交する方向、即ち、バイアス強化繊維シートの幅方向に、引っ張り力が加わった場合には、強化繊維層における強化繊維の長手方向に対する配向角度が変わるといった問題があった。バイアス強化繊維シートにおける強化繊維の配向角度は重要であり、配向角度が変わった場合には所期の強度を得ることができない。つまり、形成された繊維強化プラスチック構造材は、品質の面で十分に満足し得るものではない。
【００１４】
従って、本発明の目的は、バイアス強化繊維シートの長手方向、或いは、シート長手方向に対して直交する方向、即ち、バイアス強化繊維シートの幅方向に、引っ張り力が加わった場合においても、強化繊維の配向角度が変わることがなく、品質の面で十分に満足し得る、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製することのできる連続したバイアス強化繊維シートを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、加工時に繊維がバラケルことがなく、十分引抜成形加工に使用することができ、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製することのできる連続したバイアス強化繊維シートを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係るバイアス強化繊維シートにて達成される。要約すれば、本発明によれば、連続したシート形状をなす樹脂未含浸のバイアス強化繊維シートにおいて、
強化繊維の配向角度（α）がバイアス強化繊維シートの長手方向軸線に対して所定の角度となるようにしてバイアス強化繊維シートの長手方向に沿って整列して形成される少なくとも１層の強化繊維層の片面或いは両面に、及び／又は、前記強化繊維層が複数層形成される場合には、前記強化繊維層の間に、樹脂透過性支持体シートを配置し、前記強化繊維層と前記樹脂透過性支持体シートとをバイアス強化繊維シートの長手方向に沿ってステッチングすることにより一体化したことを特徴とするバイアス強化繊維シートが提供される。
【００１７】
本発明の一実施態様によれば、前記バイアス強化繊維シートは、幅（Ｗ）が１０〜３００ｃｍ、長手方向の長さ（Ｌ）が１０ｍ以上とされる。
【００１８】
本発明の他の実施態様によれば、前記強化繊維の配向角度（α）は、０°〜±９０°（０°は含まない。）のいずれかの角度である。
【００１９】
本発明の他の実施態様によれば、前記強化繊維層を形成する強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維、更には、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用する。
【００２０】
本発明の他の実施態様によれば、前記強化繊維層の繊維目付は、３０〜１５００ｇ／ｍ^２である。
【００２１】
本発明の他の実施態様によれば、前記樹脂透過性支持体シートは、メッシュ状体或いはクロスである。
【００２２】
本発明の他の実施態様によれば、前記メッシュ状体は、前記連続強化繊維シートの長手方向と同一方向の縦糸と、この縦糸と直交する横糸とにて形成された２軸メッシュ状体である。
【００２３】
本発明の他の実施態様によれば、好ましくは、前記樹脂透過性支持体シートはガラス繊維で形成される。
【００２４】
本発明の他の実施態様によれば、前記ステッチングは、チェーンステッチ或いはトリコットステッチである。
【００２５】
本発明の他の実施態様によれば、本発明のバイアス強化繊維シートは、樹脂を含浸し、プリプレグとされる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るバイアス強化繊維シートを図面に則して更に詳しく説明する。
【００２７】
実施例１
図１〜図４は、本発明の連続したシート形状をなすバイアス強化繊維シート１の一実施例を示す。
【００２８】
本発明によれば、詳しくは後述するように、バイアス強化繊維シート１は、強化繊維層３と、強化繊維層３の片面或いは両面、及び／又は、複数層とされた強化繊維層３の間に配置された樹脂透過性支持体シート２とを備え、強化繊維層３と樹脂透過性支持体シート２とを重ね合わせて長手軸線方向にステッチング（Ｓ）することにより一体化される。強化繊維層３は、強化繊維４の配向角度がバイアス強化繊維シート１の長手方向軸線に対して所定の角度（α）となるようにしてバイアス強化繊維シート１の長手方向に沿って整列配置して形成される。本明細書にてバイアス強化繊維シート１の長手方向に沿った軸を「主軸」と呼ぶ。
【００２９】
更に具体的に説明すると、本実施例にて、強化繊維層３は、主軸に対して所定の角度（α）にて配列され、実質的に、即ち、シート状とされる強化繊維層３の先頭端と最後尾端を除いて一定の所定長さ（Ｆ）とされる長繊維の強化繊維４にて形成される。シート状強化繊維層３には、未だマトリックス樹脂は含浸されてはいない。マトリックス樹脂は、使用時に含浸することもでき、場合によっては、使用に先立って予め含浸して、バイアス強化繊維シート１をプリプレグの状態としておくことも可能である。
【００３０】
樹脂透過性支持体シート２は、図１及び図２に示す実施例では、シート状強化繊維層３の片面に配置されているが、図３に示すように、シート状強化繊維層３の両面に配置することもできる。
【００３１】
また、図４に示すように、複数のシート状強化繊維層３を設けた構成の場合には、樹脂透過性支持体シート２は、強化繊維層３と強化繊維層３との間に配置するようにしても良い。この場合においても、強化繊維層３の片面或いは両面にも樹脂透過性支持体シート２を配置することができる。
【００３２】
本発明の連続強化繊維シート１は、幅（Ｗ）が１０〜３００ｃｍ、長さ（Ｌ）が１０ｍ以上とされる。従って、連続的に行われる引抜成形加工用の基材として好適に使用し得る。
【００３３】
本実施例にて、強化繊維層３を構成する強化繊維４は、ＰＡＮ系或いはピッチ系炭素繊維、ガラス繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維、更には、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用することができる。
【００３４】
上記樹脂透過性支持体シート２は、２軸又は３軸などのメッシュ状体或いはクロスとすることができるが、本実施例では図示するように、２軸メッシュ状体を使用した。２軸メッシュ状体２の糸条５、６の間隔（ｗ１、ｗ２）は、通常１〜１００ｍｍ程度であるが、好ましくは２〜５０ｍｍである。樹脂透過性支持体シートは、通常、性能上好ましいと考えられるガラス繊維にて、例えば、ガラス繊維（番手３００ｄ、打ち込み本数１本／１０ｍｍ）を使用して作製されるが、これに限定されるものではない。
【００３５】
図１を参照すると、バイアス強化繊維シート１の主軸と直交する幅方向における各ステッチングＳの幅間隔（ｓ１）は、３〜３０ｍｍとされる。又、ステッチングＳの主軸方向の送り（ｓ２）は、２〜１０ｍｍとされる。
【００３６】
また、ステッチングＳは、一般的にはポリエステル糸を用いるが、綿、ナイロン、ビニロン、ガラス繊維などを使用することができる。
【００３７】
より具体的には、ステッチングＳは、シート状強化繊維層４と樹脂透過性支持体シート２との積層体を、シート幅方向に数十本〜数百本並べたステッチング用針とステッチ糸により、シートの長手方向に連続的に縫って行き、２層或いは数層の積層体をステッチ糸により一体化させる。ステッチングＳは、図示するようなチェーンステッチでも、或いはジグザグ状のトリコットステッチでも良い。
【００３８】
上記構成の本発明の連続バイアス強化繊維シート１は、例えば、強化繊維４を所定の配向角度（α）で連続して供給し、シート状とする強化繊維供給装置として、当業者には周知の、例えば、米国特許番号第３７６１３４５号に記載されるような、幅出し機を使用することができる。この幅出し機を使用した、本発明のバイアス強化繊維シート１の製造方法について説明する。
【００３９】
例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、縦糸及び横糸にて形成された連続したメッシュ状支持体シート２が、供給ローラ２１からガイドローラ２２を介して、強化繊維供給装置である幅出し機１００へと連続的に供給される。
【００４０】
幅出し機１００は、プーリ１０１、１０２に張設されて無端回転するテンターベルト１０３を備えており、テンターベルト１０３は、所定の幅にて平行に配置されている。
【００４１】
一方、クリール１０４より繰り出される一方向に引き揃えた多数本の強化繊維ストランド４が、キャリッジユニット１０５によりベルト１０３の走行方向に対して所定角度（α）にてトラバースされ、テンターベルト１０３に供給される。これにより、幅出し機１００へと連続的に供給されてくるメッシュ状支持体シート２の上にシート状繊維強化層３が形成される。
【００４２】
次いで、強化繊維層３が載置されたメッシュ状支持体シート２は、幅出し機１００に併設されたステッチング装置１０６位置へと送給され、樹脂透過性支持体シート２とシート状強化繊維層３は、長手方向軸線に沿ってステッチング（Ｓ）されて一体化される。
【００４３】
このようにして連続したバイアス強化繊維シート１が形成され、巻取機２３にて巻き取られる。
【００４４】
上記説明では、バイアス強化繊維シート１を構成するシート状強化繊維層３は、１層にて構成されたが、本発明はこれに限定されるものではなく、強化繊維供給装置１００にて２層以上の強化繊維層３をメッシュ状支持体シート２に供給し、多層の強化繊維層３を備えたバイアス強化繊維シート１を製造することもできる。
【００４５】
また、図５（Ａ）に一点鎖線で示すように、幅出し機１００の下流側に、更に、透過性支持体シート供給ローラ２１ａ及びガイドローラ２２ａを設けることにより、透過性支持体シート２、２の間にシート状強化繊維層３を供給する構成とし、樹脂透過性支持体シート２、２とシート状強化繊維層３をステッチング装置１０６にてステッチング（Ｓ）して、図３に示すような、両面に透過性支持体シート２、２が配置されたバイアス強化繊維シート１を製造することが可能である。
【００４６】
更に、図６に示すように、強化繊維層３を作製するキャリッジユニット１０５を複数、本実施例では２台配置し、樹脂透過性支持体シート２を、これら強化繊維層３、３の間に供給する構成とし、図４に示す構成のバイアス強化繊維シート１を作製することができる。
【００４７】
なお、多層の強化繊維層３を備えたバイアス強化繊維シート１においては、各強化繊維シート１の強化繊維の配向角度（α）は、同じ配向角度とすることもできるが、互いに異なる配向角度を有するように構成することもできる。このとき、通常、強化繊維４の一方の配向角度は＋４５°、他方の配向角度は−４５°とされる。ただこれに限定されるものではなく、配向角度（α）は、所望に応じて０°〜±９０°（０°は含まない。）の範囲内で任意の角度とし得る。
【００４８】
このようにして製造された本発明に従ったバイアス強化繊維シート１には、未だマトリックス樹脂は含浸されてはいない。マトリックス樹脂は、上述のように、使用時に含浸することもでき、場合によっては、使用に先立って予め含浸してバイアス強化繊維シート１をプリプレグの状態としておくことも可能である。
【００４９】
次に、本発明のバイアス強化繊維シート１の作用効果を見るために、下記仕様にてバイアス強化繊維シート１を作製した。
【００５０】
実験例１
本実験例では、図１及び図２を参照して説明したバイアス強化繊維シート１を、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す製造装置１００を使用して作製した。
【００５１】
シート状強化繊維層３を構成する強化繊維４として平均径７μｍ、収束本数１２０００本のＰＡＮ系炭素繊維ストランドを用い、繊維目付は５０ｇ／ｍ^２とした。メッシュ状支持体シート２は、縦糸５及び横糸６としてガラス繊維（番手３００ｄ、打ち込み本数１本／１０ｍｍ）を用いた２軸メッシュ状体であった。２軸メッシュ状体２の糸条の間隔は、１０ｍｍとした。
【００５２】
上記幅出し機１００にて、シート状強化繊維層３を形成し、連続して供給されるメッシュ状支持体シート２と重ね合わせ、その後、ステッチング装置１０６にて、重ね合わせたシート状強化繊維層３とメッシュ状支持体シート２を長手方向に沿ってステッチング（Ｓ）することにより一体化した。
【００５３】
各ステッチング（Ｓ）の幅間隔（ｓ１）は、１０ｍｍ、又、ステッチング（Ｓ）の送り（ｓ２）は、３ｍｍであった。また、ステッチング（Ｓ）は、ポリエステル糸を用いて行った。
【００５４】
このようにして作製したバイアス強化繊維シート２０は、幅（Ｗ）が５０ｃｍ、長さ（Ｌ）が３０ｍであった。
【００５５】
本実施例にて作製されたバイアス強化繊維シート１は、バイアス強化繊維シート１の長手方向、或いは、シート長手方向に対して直交する方向、即ち、バイアス強化繊維シート１の幅方向に、引っ張り力が加わった場合においても、強化繊維４の配向角度（α）が変わることがなく、品質の面で十分に満足し得るものであった。
【００５６】
また、上記本発明のバイアス強化繊維シート１を使用して、図７に概略示すようなＩ型ＦＲＰ構造材５０を作製した。引抜成形されたＩ型ＦＲＰ構造材５０は、高さ（Ｈ１）８０ｍｍ、幅（Ｈ２）５０ｍｍ、厚み（Ｔ）２ｍｍ、長さ（Ｈ３）６ｍのものであった。
【００５７】
Ｉ型ＦＲＰ構造材５０の表面層に用いた本発明に従ったバイアス強化繊維シート１は、強化繊維４がバラケルこともなく十分引抜成形加工に使用することができた。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、連続したシート形状をなす樹脂未含浸のバイアス強化繊維シートにおいて、強化繊維の配向角度（α）がバイアス強化繊維シートの長手方向軸線に対して所定の角度となるようにしてバイアス強化繊維シートの長手方向に沿って整列して形成される少なくとも１層の強化繊維層の片面或いは両面に、及び／又は、強化繊維層が複数層形成される場合には、強化繊維層の間に、樹脂透過性支持体シートを配置し、強化繊維層と樹脂透過性支持体シートとをバイアス強化繊維シートの長手方向に沿ってステッチングすることにより一体化した構成とされるので、本発明のバイアス強化繊維シートを用いれば、
（１）バイアス強化繊維シートの長手方向、或いは、シート長手方向に対して直交する方向、即ち、バイアス強化繊維シートの幅方向に、引っ張り力が加わった場合においても、強化繊維の配向角度が変わることがなく、品質の面で十分に満足することができ、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製することができる。
（２）加工時に繊維がバラケルことがなく、十分引抜成形加工に使用することができ、捩じり剛性が著しく向上した長尺の繊維強化プラスチック構造材を作製することができる。
という利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイアス強化繊維シートの一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明のバイアス強化繊維シートの一実施例を説明するための分解斜視図である。
【図３】本発明のバイアス強化繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明のバイアス強化繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明のバイアス強化繊維シートを作製する製造装置の一実施例の概略構成図であり、図５（Ａ）は正面図、図５（Ｂ）は平面図である。
【図６】本発明のバイアス強化繊維シートを作製する製造装置の他の実施例の概略構成図である。
【図７】本発明のバイアス強化繊維シートを使用して作製されるＩ型ＦＲＰ構造材の一例を示す斜視図である。
【図８】従来のバイアス強化繊維シートの一例を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１バイアス強化繊維シート
２樹脂透過性支持体シート
３シート状強化繊維層
４強化繊維

Claims

連続したシート形状をなす樹脂未含浸のバイアス強化繊維シートにおいて、
強化繊維の配向角度（α）がバイアス強化繊維シートの長手方向軸線に対して所定の角度となるようにしてバイアス強化繊維シートの長手方向に沿って整列して形成される少なくとも１層の強化繊維層の片面或いは両面に、及び／又は、前記強化繊維層が複数層形成される場合には、前記強化繊維層の間に、樹脂透過性支持体シートを配置し、前記強化繊維層と前記樹脂透過性支持体シートとをバイアス強化繊維シートの長手方向に沿ってステッチングすることにより一体化したことを特徴とするバイアス強化繊維シート。
前記バイアス強化繊維シートは、幅（Ｗ）が１０〜３００ｃｍ、長手方向の長さ（Ｌ）が１０ｍ以上とされることを特徴とする請求項１のバイアス強化繊維シート。
前記強化繊維の配向角度（α）は、０°〜±９０°（０°は含まない。）のいずれかの角度であることを特徴とする請求項１又は２のバイアス強化繊維シート。
前記強化繊維層を形成する強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、又は、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維、更には、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。
前記強化繊維層の繊維目付は、３０〜１５００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。
前記樹脂透過性支持体シートは、メッシュ状体或いはクロスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。
前記メッシュ状体は、前記連続強化繊維シートの長手方向と同一方向の縦糸と、この縦糸と直交する横糸とにて形成された２軸メッシュ状体であることを特徴とする請求項６のバイアス強化繊維シート。
前記樹脂透過性支持体シートは、ガラス繊維で形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。
前記ステッチングは、チェーンステッチ或いはトリコットステッチであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。
樹脂を含浸し、プリプレグとされることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載のバイアス強化繊維シート。