JP2005231151A - 複合材料用の強化繊維配向シート、それを用いた多軸積層強化繊維シート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量な強化材であって、形崩れし難いとともに強化繊維が移動し難く、しかも、材料コストが高額とならない複合材料用の強化繊維配向シートを提供する。
【解決手段】 強化繊維束を単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅して一軸配向強化繊維シート４を作製する。一軸配向強化繊維シート４に目付け１０ｇ／ｍ^２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブ５を接合して、複合材料用の強化繊維配向シート１を構成する。繊維ウェブ５は、その厚みが７０μｍ以下、繊維の直径が４０μｍ以下、ウェブ開口率が３０％以上であることが好ましい。強化繊維配向シート１をその繊維配向軸を相違させて複数重合させ、熱圧着させて多軸配向とした多軸積層強化繊維シート３を構成してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複合材料用の強化繊維配向シート、特には、超軽量性及び高力学的性能が要求される宇宙船、高級釣竿等の構成材料である複合材料を強化する複合材料用の強化繊維配向シート、それを用いた多軸積層強化繊維シート及びその製造方法に関する。

炭素繊維等の強化繊維から成るテープ及び織物は、従来、超軽量性及び高力学的性能が要求される複合材料、特には、宇宙用、スポーツ用等の構成材料となる複合材料のための強化材として使用されている。

特に、高度の軽量性が要求される複合材料のための強化材としては、しばしば１Ｋ（Ｋは単糸１０００本を意味する。）等の超細物の強化繊維束から成る超薄物のテープ及び織物が使用される。

一方、通常太さの又は比較的太い強化繊維束を空気開繊によって拡幅することは知られており（非特許文献１参照。）、拡幅した強化繊維束から形成されるドライの超薄物のテープ及び織物等も知られている（非特許文献２参照。）。

又、マトリックス樹脂が通過できる通孔を有する熱可塑性樹脂繊維シートを一軸配向強化繊維シートに当接し、両者を熱融着したことを特徴とする強化繊維材も知られている（特許文献１参照。）。

川辺、友田、松尾著：繊維機械学会誌 ５０、Ｔ６８（１９９７年） 川辺、友田、松尾著：材料 ４９、１０２３（２０００年） 特開平１０−３１７２６５号公報

しかし、超細物の強化繊維束から成る超薄物のテープ及び織物にあっては、超細物の強化繊維束が極めて高価であるため、現在までのところ、実用化できる用途は極めて限定されている。

又、通常太さの又は比較的太い強化繊維束を空気開繊により拡幅して形成した超薄物のテープ及び織物にあっては、テープ及び織物自体が形崩れし易いとともに、強化繊維が幅方向に移動し易く、実用化を阻害する要因となっていた。

又、通孔を有する熱可塑性樹脂繊維シートと一軸配向強化繊維シートとを熱融着した強化繊維材は、強化繊維束を開繊拡幅するものではなく、又、熱可塑性樹脂繊維シートの目付けも１０〜１００ｇ／ｍ^２とそれ程軽量なものではない。

本発明は、上記従来における問題点に鑑みて為されたものであり、強化繊維束を開繊拡幅した極めて軽量な強化材であって、強化材自体が形崩れし難いとともに、強化繊維が幅方向に移動し難く、しかも、材料コストが高額とならず、広い用途に実用化できる複合材料用の強化繊維配向シートを提供することを目的とする。

本発明は、又、前記強化繊維配向シートを繊維配向軸を相違させて複数積層した多軸積層強化繊維シートを提供することを目的とする。

本発明は、又、前記強化繊維配向シートを好適に製造することができる強化繊維配向シートの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、強化繊維束を単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅して得られた一軸配向強化繊維シートに、目付け１０ｇ／ｍ^２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブを接合して、複合材料用の強化繊維配向シートを構成したものである。

又、前記一軸配向強化繊維シートを製織して成る織物に目付け１０ｇ／ｍ^２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブを接合して、複合材料用の強化繊維配向シートを構成したものである。

ここで、前記ホットメルト接着剤から成る繊維ウェブは、その厚みが７０μｍ以下、繊維の直径が４０μｍ以下、ウェブ開口率が３０％以上であることが好ましい。

前記強化繊維としては、炭素繊維を使用することができる。

本発明は、又、前記強化繊維配向シートをその繊維配向軸を相違させて複数重合させ、熱圧着させて多軸配向とした多軸積層強化繊維シートを構成したものである。

本発明は、又、上記目的を達成するために、強化繊維束を開繊拡幅させて一軸配向強化繊維シートを作製し、この一軸配向強化繊維シート上に溶融したホットメルト接着剤を引落として繊維ウエブを形成し、前記一軸配向強化繊維シートを加圧、加熱して繊維ウエブを溶融、接合させて強化繊維配向シートを製造する強化繊維配向シートの製造方法を提供する。

又、強化繊維束を開繊拡幅させて一軸配向強化繊維シートを作製し、予め離型シート上にホットメルト接着剤から成る繊維を引落として形成した繊維ウェブを前記一軸配向強化繊維シートに当接し、前記一軸配向強化繊維シートを加圧、加熱して繊維ウエブを溶融、接合させて強化繊維配向シートを製造することを特徴とする強化繊維配向シートの製造方法を提供する。

ここで、弛緩状態で走行する懸垂状態の強化繊維束に空気流を直交状に吹き付けて開繊拡幅するのが好ましい。

本発明の複合材料用の強化繊維配向シート、それを用いた多軸積層強化繊維シート及びその製造方法について、以下、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一軸配向させた強化繊維配向シートの構成図、図２は、本発明の一軸配向強化繊維シートを製織した織物から成る強化繊維配向シートの構成図、図３は、本発明の多軸積層強化繊維シートの構成図、図４及び図５は、本発明の強化繊維配向シートの製造方法を示す工程図である。

本発明が適用される強化繊維Ｆの典型例は炭素繊維である。炭素繊維にあっては、単糸の繊維直径が１０μｍ以下と小さく、特に細物の炭素繊維束は高価であるので、本発明の作用、効果が顕著に現れる。
しかし、本発明が適用される強化繊維としては、炭素繊維のみに限定されるものではなく、炭化珪素繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維等、各種強化繊維を挙げることができる。

強化繊維束Ｐをその単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅するということは、例えば、１２Ｋの炭素繊維束の場合にあっては、開繊拡幅することによって、１．３ｍｍ×１２０００／１０００＝１５．６ｍｍ以上のシート幅にする、ということを意味する。
尚、このようにして得られるドライシートにおいて、「ドライ」という語は、マトリックス樹脂が含浸されていない状態を意味するものである。

強化繊維束Ｐを単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅することによって、超軽量（超低目付け）の複合材料のための強化用構造体を経済的に製造することができる。

強化繊維束Ｐを開繊拡幅する方法としては、弛緩状態で走行する懸垂状の強化繊維束Ｐに、整流した空気流を実質的に直交状に吹き付ける方法が最も好ましい。
ここで、強化繊維束Ｐの懸垂状態となった部分を長くし、吹き付ける空気の流速を高くすれば、開繊拡幅された強化繊維シート４の幅は大きくなる。しかし、拡幅し過ぎると、幅方向における単繊維分布の均一性が低下するので、注意が必要である。
尚、開繊拡幅工程に導入される際、強化繊維束Ｐは無撚りでなければならない。

繊維ウェブ５を構成するホットメルト接着剤は、加熱により溶融し、接合後冷却固化することによって、接着剤としての機能を発揮するものである。
本発明においては、エチレン・酢酸ビニル共重合体系、ポリアミド系、ポリエステル系等のホットメルト接着剤を使用することができるが、必ずしも、これらに限定されるものではない。

ホットメルト接着剤から成る繊維ウェブ５は、通常、溶融したホットメルト接着剤を多数のノズル孔から押出し、空気流によって引落とすことによって細化冷却し、適宜対象物上に堆積させる方法等によって得られる。

本発明において、繊維ウェブ５の目付けは、１０ｇ／ｍ^２以下、好ましくは０．５〜５ｇ／ｍ^２の範囲であることが好ましい。
目付けを１０ｇ／ｍ^２以下にすることによって、強化用構造体から得られる複合材料を超軽量（超低目付け）とし、かつ、高力学的性能を保持させることができる。
目付けが１０ｇ／ｍ^２を超過すると、勿論、得られる複合材料の重量が増大するとともに、複合材料の剪断強度も低下してしまう。

繊維ウェブ５の厚さは、７０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下とする。繊維ウェブ５を構成するホットメルト接着剤繊維の直径は、４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下とする。
ウェブ開口率は、３０％以上、好ましくは５０％以上とする。ウェブ開口率とは、強化繊維シートに繊維ウェブを圧着接合した際に、次式で算出される値（百分率）である。

ウェブ開口率＝［（接合部全面積）−（接着剤によって占められている面積）］
／（接合部全面積）

ウェブ繊維の直径を小さくし、ウェブ開口率を大きくすることによって、強化用構造体を用いて複合材料を製造する際に、マトリックス樹脂を均一にかつ迅速に含浸させることができる。

一軸配向強化繊維シート４とホットメルト接着剤繊維ウェブ５とを接合する方法としては、図４に示すように、強化繊維シート４の表面上に直接的にホットメルト接着剤から成る繊維を引き落として繊維ウェブ５を形成した後、ローラにより挟持しつつ加熱して熱圧着する方法を採用することができる。

上記方法にあっては、図４に示すように、先ず、原料供給部の引出ローラ６から原料である強化繊維束Ｐを引出し、強化繊維シート作製装置７へと移送する。そして、強化繊維シート作製装置７において、強化繊維束Ｐを開繊拡幅して、一軸配向強化繊維シート４を作製する。
次に、作製した一軸配向強化繊維シート４をホットメルト接着剤吐出装置８の下方へと移送する。そして、ホットメルト接着剤吐出装置８からホットメルト接着剤繊維を一軸配向強化繊維シート４の表面上に引落とすことによって、一軸配向強化繊維シート４の表面に繊維ウェブ５を形成する。

次に、繊維ウェブ５を形成した一軸配向強化繊維シート４を加熱・加圧装置９へと移送する。そして、加熱・加圧装置９において、加圧ローラ及び加熱ローラによって一軸配向強化繊維シート４を挟持し、加圧、加熱することによって繊維ウェブ５を溶融、接合させて、強化繊維配向シート１を作製する。
その後、強化繊維配向シート１を移送し、製品保管部の巻取ローラ１０に強化繊維配向シート１を巻取る。

一軸配向強化繊維シート４とホットメルト接着剤繊維ウェブ５とを接合する方法としては、図５に示すように、離型シートの表面上にホットメルト接着剤から成る繊維を引き落として繊維ウェブ５を形成した後、その繊維ウェブ５の表面と強化繊維シート４の表面とを当接させ、ローラにより挟持しつつ加熱して熱圧着する方法を採用することもできる。

上記方法にあっては、図５に示すように、予め、離型シートの表面上にホットメルト接着剤から成る繊維を引き落として繊維ウェブ５を形成し、形成した繊維ウェブ５を繊維ウェブ供給部の引出ローラ１１に巻き取っておく。

先ず、原料供給部の引出ローラ６から原料である強化繊維束Ｐを引出し、強化繊維シート作製装置７へと移送する。そして、強化繊維シート作製装置７において、強化繊維束Ｐを開繊拡幅して、一軸配向強化繊維シート４を作製する。
次に、繊維ウェブ供給部の引出ローラ１１から繊維ウェブ５を引出し、移送されてきた一軸配向強化繊維シート４と当接させる。

次に、繊維ウェブ５を当接した一軸配向強化繊維シート４を加熱・加圧装置９へと移送し、加熱・加圧装置９において、一軸配向強化繊維シート４を加圧、加熱することによって、繊維ウェブ５を溶融、接合させて、強化繊維配向シート１を作製する。
その後、強化繊維配向シート１を移送し、製品保管部の巻取ローラ１０に強化繊維配向シート１を巻取る。

以上においては、開繊拡幅して得られた一軸配向強化繊維シート４に、ホットメルト接着剤から成る繊維ウェブ５を接合して、強化繊維配向シート１を作製する場合について説明したが、一軸配向強化繊維シート４に代えて、その一軸配向強化繊維シート４を織物状とした強化繊維シート１２を採用してもよい。
織物状とした強化繊維シート１２は、例えば、図４及び図５に示す上記製造方法にあって、強化繊維シート作製装置７において作製することができる。

又、作製された強化繊維配向シート１，１，１を複数重合させ、熱圧着することによって、積層強化繊維シートを作製することができる。
この際に、積層される強化繊維配向シート１の繊維配向軸を、例えば図３に示すように、０°、＋４５°、−４５°、９０°と相違させて、多軸配向とした多軸積層強化繊維シート３を作製してもよい。
尚、必要に応じて、不織布、フィルム等を同時に接合させ、積層強化繊維シートを作製してもよい。

本発明の強化繊維配向シート１は、通常、マトリックス樹脂を含浸させて、複合材料として使用される。
そして、本発明の強化繊維配向シート１によって構成された複合材料は、超軽量（低目付け）であり、かつ、使用した炭素繊維等の強化繊維の性能に見合う高い曲げ弾性率、伸長強度、剪断強度等の力学的性能を得ることができる。

本発明の強化繊維配向シート１は、又、強化繊維Ｆがホットメルト接着剤から成る繊維ウェブ５によって互いに連結されているので、シート１自体が形崩れし難く、幅方向に単糸が移動し難く、極めて取扱性に優れている。
本発明の強化繊維配向シート１は、比較的安価な炭素繊維Ｆを原料として使用することができるので、材料コストを削減することができ、経済的である。

本発明の強化繊維配向シート１は、マトリックス樹脂を含浸させて、複合材料として使用されるが、特に、型内又は型上において積層して互いに熱接合した後、マトリックス樹脂を圧入して複合成形品を製造するのに好適である。
熱接合することによって積層状態が強固に固定され、マトリックス樹脂を圧入する際にも安定な積層状態を保持できるからである。
又、開繊された繊維Ｆ間の間隙及びホットメルト接着剤繊維ウェブ５によって形成される積層間の間隙を介してマトリックス樹脂が容易に流通するので、圧入し易い。

多軸積層強化繊維シート３は、例えば、自動車用外装部材、風車の強化構造体に採用して好適である。
それらの製造方法としては、例えば、多軸積層強化繊維シート３をマトリックスとなる樹脂液に浸漬した後、型に圧着して成形する方法を採用することができる。

東レ（株）製のグレードＭ３０Ｓ、１８Ｋ無撚りの炭素繊維束を原料として採用し、懸垂状態とした炭素繊維束に直交方向から空気を吹き付けて開繊拡幅し、幅２６ｍｍのテープを作製した。
このテープを使用し、テープ間の隙間が実質的に無く、かつ、各繊維が互いに重なり合わないように製織し、厚み０．０５９ｍｍ、５８ｇ／ｍ^２の平織物を作製した。

この平織物の表面上に、ポリアミド系ホットメルト接着剤を、幅方向に１列に配置された多数のノズル孔を有する溶融ヘッドから吐出させつつ、空気により引落とすことによって、単糸の直径１８μｍの繊維からなる目付け４ｇ／ｍ^２、見掛けの厚み０．０３ｍｍの繊維ウェブ５を形成した。
そして、繊維ウェブ５を形成した平織物１２を２４０℃に加熱しつつ加圧ローラにより加圧して、平織物１２と繊維ウェブ５とを接合して、強化繊維配向シート２を製造した。製造された強化繊維配向シート２において、ウェブ開口率は約６７％であった。

製織した平織物１２にあっては、直径８ｃｍの一対の鏡面状金属ロール間を５ｇ／ｃｍの張力を付加して通過させたところ、顕著な織り目の乱れが目視によって認められた。
一方、強化繊維配向シートにあっては、同一条件下で鏡面状金属ローラ間を通過させたところ、織り目の乱れは全く認められなかった。

上記強化繊維配向シート１に、エポキシ樹脂フィルムを積層し、圧入含浸させ、１２３℃にて２０分間加熱して硬化処理し、強化繊維体積分率６０．３％、厚み０．０８６の複合材料から成る板材を製造した。
製造された複合材料から成る板材を切断し、その断面を研磨した後に顕微鏡観察したところ、マトリックス樹脂が強化繊維間に良好に含浸していることが確認された。

本発明の一軸配向させた強化繊維配向シートの構成図である。 本発明の織物状とした強化繊維配向シートの構成図である。 多軸積層強化繊維シートの構成図である。 強化繊維配向シートの製造方法を示す工程図である。 強化繊維配向シートの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 強化繊維配向シート
２ 強化繊維配向シート
３ 多軸積層強化繊維シート
４ 一軸配向強化繊維シート
５ ホットメルト接着剤繊維ウェブ
７ 強化繊維シート作製装置
８ ホットメルト接着剤吐出装置
９ 加熱・加圧装置
１２ 織物

Claims (8)

1. 強化繊維束を単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅して得られた一軸配向強化繊維シートに目付け１０ｇ／ｍ^２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブを接合してなる複合材料用の強化繊維配向シート。
2. 前記一軸配向強化繊維シートを製織して成る織物に目付け１０ｇ／ｍ^２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブを接合してなる複合材料用の強化繊維配向シート。
3. 前記ホットメルト接着剤から成る繊維ウェブは、その厚みが７０μｍ以下、繊維の直径が４０μｍ以下、ウェブ開口率が３０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強化繊維配向シート。
4. 前記強化繊維は、炭素繊維であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかの請求項に記載の強化繊維配向シート。
5. 請求項１乃至４の何れかの請求項に記載の強化繊維配向シートをその繊維配向軸を相違させて複数重合させ、熱圧着させて多軸配向とした多軸積層強化繊維シート。
6. 強化繊維束を開繊拡幅させて一軸配向強化繊維シートを作製し、この一軸配向強化繊維シート上に溶融したホットメルト接着剤を引落として繊維ウェブを形成し、前記一軸配向強化繊維シートを加圧、加熱して繊維ウェブを溶融、接合させて強化繊維配向シートを製造することを特徴とする強化繊維配向シートの製造方法。
7. 強化繊維束を開繊拡幅させて一軸配向強化繊維シートを作製し、予め離型シート上にホットメルト接着剤から成る繊維を引落として形成した繊維ウェブを前記一軸配向強化繊維シートに当接し、前記一軸配向強化繊維シートを加圧、加熱して繊維ウェブを溶融、接合させて強化繊維配向シートを製造することを特徴とする強化繊維配向シートの製造方法。
8. 弛緩状態で走行する懸垂状態の強化繊維束に空気流を直交状に吹き付けて開繊拡幅することを特徴とする請求項６又は７に記載の強化繊維配向シートの製造方法。

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