JP2006198866A

JP2006198866A - サンドイッチ構造材料用コア材及びサンドイッチ構造材料の製造方法

Info

Publication number: JP2006198866A
Application number: JP2005012578A
Authority: JP
Inventors: Manabu Kaneko; 学金子
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】液状マトリクス樹脂の侵入を充分に防ぐことができ、しかも製造時の作業を簡便にできるサンドイッチ構造材料用コア材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のサンドイッチ構造材料用コア材１０は、中空のコア本体１１を具備し、コア本体１１の主面１１ａの全面を被覆するシール体１２と、コア本体１１の側面１１ｂの全面を被覆する枠体１３とをさらに具備する。本発明のサンドイッチ構造材料の製造方法は、上述したサンドイッチ構造材料用コア材１０上下に強化繊維を積層して積層体を形成し、その積層体に液状マトリクス樹脂を供給し、加熱して繊維強化樹脂層を設ける方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、サンドイッチ構造材料を製造する際に使用されるサンドイッチ構造材料用コア材に関する。さらには、サンドイッチ構造材料の製造方法に関する。

繊維強化樹脂は、軽量かつ高強度であることから、幅広く使われている。特に長繊維強化熱硬化性樹脂は、軽量、高剛性、高強度であることから、金属材料代替として、飛行機、船舶、鉄道車両、自動車、ゴルフクラブ、テニスラケット等に広く用いられている。
また、繊維強化樹脂を用いた材料の中でも、力学特性に優れ、さらに軽量化が見込めることから、サンドイッチ構造材料が注目されている。このサンドイッチ構造材料は、プレプレグを積層し、オートクレーブで加圧加熱して製造されるため、生産に要する労働力、熱エネルギー、設備投資が多く必要であり、製造加工コストが高い傾向にある。その対策として、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）やＶＡＲＴＭ（Vacuum Assisted RTM）と呼ばれる、ガラス繊維織物や炭素繊維織物に未硬化の熱硬化性樹脂である液状マトリクス樹脂を注入し、これを硬化成形して繊維強化樹脂層を積層するサンドイッチ構造材料の製造方法が開発された。この製造方法は、値段が高いプリプレグを使わない上に、織物の積層は簡便であり、オートクレーブで加圧加熱する必要がないために、プリプレグ法より低コストである。

サンドイッチ構造材料の製造では、より軽量化を目的として、コア材としてハニカムコアやオープンセルフォームコア等の中空のコア材を用いることがあった。しかし、ＲＴＭ、ＶＡＲＴＭ等の液状マトリクス樹脂を注入する成形方法にて中空のコア材を用いた場合には、中空のコア内部に液状マトリクス樹脂が侵入し、質量を増加させるという問題があった。すなわち、従来の方法では、中空のコア材をＲＴＭやＶＡＲＴＭに適用するのは困難であった。
そこで、中空のコア材内部への液状マトリクス樹脂の侵入を防ぐために、特許文献１では、不浸透性樹脂フィルム及び非低粘度型フィルムをハニカムコアのシール体として用いることが提案されている。また、特許文献２では、フィルム接着剤を介して特定の樹脂／水分遮蔽フィルムを中空のコア材に結合させる方法が提案されている。さらに、特許文献３では、熱硬化型の接着性能を有するシール体を用いることが提案されている。
これらのシール体はいずれも、繊維強化樹脂層を積層するコア材の主面のみを被覆するものである。
特開２００３−３９５７９号公報特開平９−２９５３６２号公報特開２０００−１６７９５０号公報

しかし、特許文献１〜３に記載の方法では、繊維強化樹脂が積層されないコア材の側面を被覆していないため、液状マトリクス樹脂の侵入を充分に防ぐことができず、質量の増加を充分に抑えることができなかった。
そこで、フィルム状のシール体でコア材の側面も被覆することが考えられるが、その作業は煩雑であり、作業時間及び労力が多大であった。
また、コア材とあらかじめ作製した繊維強化樹脂層とを接着してサンドイッチ構造材料を製造すれば、コア材内部への液状マトリックス樹脂の侵入を防ぐことができるが、この方法では加熱工程を少なくとも２回行う必要があり、作業時間及び労力だけでなく、消費エネルギーも多大であった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、液状マトリクス樹脂の侵入を充分に防ぐことができ、しかも製造時の作業を簡便にできるサンドイッチ構造材料用コア材を提供することを目的とする。また、サンドイッチ構造材料への液状マトリクス樹脂の侵入を防止できる上に、加熱工程数を削減できるサンドイッチ構造材料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のサンドイッチ構造材料用コア材は、繊維強化樹脂層が積層される主面と、側面とを有する中空のコア本体を具備するサンドイッチ構造材料用コア材において、
コア本体の主面の全面を被覆するシール体と、コア本体の側面の全面を被覆する枠体とをさらに具備することを特徴とする。
本発明のサンドイッチ構造材料の製造方法は、上述したサンドイッチ構造材料用コア材上下あるいは上下および側面に強化繊維を積層して積層体を形成し、その積層体に液状マトリクス樹脂を供給し、加熱して繊維強化樹脂層を設けることを特徴とする。

本発明のサンドイッチ構造材料用コア材は、サンドイッチ構造材料を製造した際に液状マトリクス樹脂が内部に侵入することを防止しており、しかもサンドイッチ構造材料製造時の作業を簡便にできる。
本発明のサンドイッチ構造材料の製造方法によれば、サンドイッチ構造材料への液状マトリクス樹脂の侵入を防止できる上に作業を簡便にでき、また、加熱工程数を削減できる。したがって、サンドイッチ構造材料の製造において、作業時間の短縮、消費エネルギー及び労力の削減を実現できる。

（サンドイッチ構造材料用コア材）
本発明のサンドイッチ構造材料用コア材（以下、コア材と略す。）の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例のコア材の斜視図を示し、図２に、本実施形態のコア材の断面図を示す。本実施形態例のコア材１０は、繊維強化樹脂層を積層してサンドイッチ構造材料を形成するものであって、繊維強化樹脂層が積層される主面１１ａと、主面１１ａに交差する側面１１ｂとを有する中空のコア本体１１を具備するものである。さらに、本実施形態例のコア材１０は、コア本体１１の主面１１ａの全面を被覆するシール体１２と、コア本体１１の側面１１ｂの全面を被覆する枠体１３とを具備する。

＜コア本体＞
コア本体１１は中空のものである。コア本体１１の中でも、軽量である上に剛性が高いことから、オープンセルフォーム材等の発泡材やハニカム材が好ましい。オープンセルフォーム材は主面だけでなく側面にも開口部が多数形成されているから、枠体１３を有する本発明の効果がとりわけ発揮される。

＜シール体＞
シール体１２は、サンドイッチ構造材料を製造する際に液状マトリクス樹脂（未硬化熱硬化性樹脂）を確実に遮蔽できるものである。具体的には熱可塑性樹脂製フィルム又は熱可塑性樹脂製シートが好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアリーレン、ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、フッ素系樹脂、ポリフェニレンエーテル（ポリフェニレンオキシド）、ポリカーボネート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルフィドなどが挙げられる。また、シール体１２が金属製フィルム又は金属製シートであっても差し支えない。

さらに、シール体１２の材質としては、液状マトリクス樹脂が硬化した熱硬化性樹脂と接着しうる熱可塑性樹脂が好ましい。シール体１２の材質が、熱硬化性樹脂と接着しうる熱可塑性樹脂であれば、シール体１２と熱硬化性樹脂と接着する接着剤の使用を省くことができる。熱硬化性樹脂と接着しうる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルイミド、グリコール変性共重合ポリエステルなどが挙げられ、さらに、グリコール変性共重合ポリエステルの中でも、熱硬化性樹脂との接着性がより優れることから、シクロアルカンジオール変性共重合ポリエステルが好ましく、シクロアルカンジオール変性共重合ポリエチレンテレフタレートが特に好ましい。

＜枠体＞
枠体１３は、コア本体１１への液状マトリクス樹脂の侵入をより防止できることから、液状マトリクス樹脂が浸透しない材質からなることが好ましい。液状マトリクス樹脂が浸透しない枠体１３の材質としては、例えば、金属、木材、プラスチック、セラミック、ゴム、エラストマーなどが挙げられる。さらに、得られるサンドイッチ構造材料をより軽量にするためには、枠体１３が、クローズドセル発泡プラスチック、バルサ材、中空アルミ材であることが好ましい。
また、枠体１３は格子状のものであってもよい。枠体１３が格子状である場合には、それぞれの格子内にコア本体１１が収納されるように、コア本体１１を複数個用いることが好ましい。

コア材１０においては、コア本体１１とシール体１２、シール体１２と繊維強化樹脂層とを、接着剤を介在させて接着することが好ましい。ここで、接着剤としては、取り扱い性に優れることからフィルム接着剤が好ましい。

（サンドイッチ構造材料の製造方法）
本発明のサンドイッチ構造材料の製造方法は、上述したコア材１０を用いることを特徴とし、強化繊維をコア材１０の上下あるいは上下および側面に積層し、その強化繊維に液状マトリクス樹脂を供給し、加熱する方法である。

この製造方法において、コア材１０は一個のみ使用してもよいし複数個積層して使用してもよい。
コア材１０の上下あるいは上下および側面に積層する強化繊維としては特に制限されず、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などが挙げられる。強化繊維は、取り扱い性に優れることから、織物になっていることが好ましい。

コア材１０に強化繊維を積層する際には、コア材１０と強化繊維との間に接着剤を介在させてもよい。その場合、コア材１０の片面のみに接着剤を配置してもよいし両面に配置してもよい。接着剤としては、取り扱い性に優れることからフィルム接着剤が好ましい。
コア材１０のシール体１２が熱硬化性樹脂と接着しうる熱可塑性樹脂である場合には、コア材１０と強化繊維との間に接着剤を介在させなくてもよい。
また、強化繊維の上には、余分な液状マトリクス樹脂を吸収できる布帛であるピールプライや不織布を積層しても構わない。

積層体に液状マトリクス樹脂を供給する際には、例えば、積層体をフィルム製バッグ内に配置してもよいし、上型及び下型からなる金型内に配置してもよい。いずれの場合でも、積層体に隣接して注入口を配置し、その注入口から液状マトリクス樹脂を供給すればよい。また、液状マトリクス樹脂の供給方法としては、例えば、バッグ内の空気を脱気して負圧状態にし、その負圧を利用して液状マトリクス樹脂を流入させる方法、ポンプで液状マトリクス樹脂を金型内に供給する方法などが挙げられる。
積層体をバッグ内に配置した場合には、バッグ内の空気を脱気することにより、シール体を枠体又はコア本体主面に圧接させることができる。また、積層体を金型内に配置した場合には、型締め圧でシール体を枠体又はコア本体主面に圧接させることができる。

液状マトリクス樹脂としては特に制限されず、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ＰＩＴＩ樹脂、シアネート樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂（ＢＣＢ樹脂）、縮合多環多核芳香族樹脂（ＣＯＰＮＡ樹脂）などが挙げられる。

そして、液状マトリクス樹脂を積層体に供給後に加熱することによって、液状マトリクス樹脂を硬化させることができ、接着剤を有する場合には接着剤を硬化させることができる。その際の加熱温度は液状マトリクス樹脂の種類によって適宜選択することができる。

以上説明したコア材１０および該コア材を用いた製造方法では、コア本体１１の主面１１ａの全面をシール体１２が被覆しているため、液状マトリクス樹脂を供給した際には、主面１１ａ側からコア本体１１内に液状マトリクス樹脂が侵入することを防止できる。また、コア本体１１の側面１１ｂの全面を枠体１３が被覆しているため、液状マトリクス樹脂を供給した際には、側面１１ｂ側からコア本体１１内に液状マトリクス樹脂が侵入することを防止できる。

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
ポリウレタンフォームを幅２５ｍｍの棒状に切り出し、その端部同士を接着剤（デブコンコンタクトセメント）で接着して、外寸法３１０ｍｍ×２２８ｍｍ、内寸法２６０ｍｍ×１７８ｍｍの枠体を作製した。次いで、作製した枠体の中にコア本体であるアルミハニカム（２６０ｍｍ×１７８ｍｍ）を挿入し、アルミハニカムの両側の表面にフィルム接着剤（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）を各一枚積層した。さらに、そのフィルム接着剤の外側表面にシール材となるポリエーテルイミドフィルム（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）を各一枚積層してサンドイッチ構造材料用コア材（１）を作製した。
ここで、ポリウレタンフォームとしては、ジェネラルプラスチックスマニュファクチャリング社製ＦＰ−７１１０（１０ｍｍ厚）を用い、アルミハニカムとしては、アルコア社製ＤＵＲＡ５０５６１．６−３／８（１０ｍｍ厚、密度２６ｇ／ｍ^３、セルサイズ９．５ｍｍ）を用い、フィルム接着剤として、ニューポートアドヒーシブアンドコンポジッツ社製ＮＢ−１０１Ｕを用い、ポリエーテルイミドフィルムとしてＩＣＩ社製ウルテム（１３０μｍ厚）を用いた。

（実施例２）
ポリエーテルイミドフィルムを、３００ｍｍ×２１０ｍｍのＰＥＴ−Ｇフィルム（三菱樹脂社製ＤＩＡＦＩＸＰＧ−ＷＨＩ、０．１ｍｍ厚）に変更した以外は実施例１と同様にしてサンドイッチ構造材料用コア材（２）を作製した。

（実施例３）
繊維強化プラスチック板の上に離形剤を塗布し乾燥させた。次いで、その離型剤の上に、厚手の不織布（３６８ｍｍ×２７９ｍｍ）を一枚積層し、不織布の上にピールプライ（３６８ｍｍ×３０５ｍｍ）を一枚積層し、そのピールプライの上に炭素繊維織物（３１８ｍｍ×２２９ｍｍ、三菱レイヨン社製ＴＲ３１１０ＭＳ）を二枚積層した。次いで、その上にサンドイッチ構造材料用コア材（１）を積層し、そのサンドイッチ構造材料用コア材（１）の上に炭素繊維織物（３１８ｍｍ×２２９ｍｍ、三菱レイヨン社製ＴＲ３１１０ＭＳ）を二枚積層した。次いで、ピールプライ（３６８ｍｍ×３０５ｍｍ）を一枚積層し、厚手の不織布（２９５ｍｍ×２８０ｍｍ）を一枚積層して積層体を形成した。
次いで、液状マトリクス樹脂の注入口をサンドイッチ構造材料用コア材（１）の横に配置した。その際、コア材（１）の一方の長辺（縦方向）に沿って線状に、かつ、注入された液状マトリクス樹脂が前記二つの不織布を浸透するように注入口を設置した。また、コア材（１）をはさんで注入口の反対側に脱気口を注入口と同様に配置した。
次いで、積層体にナイロンフィルム製バッグを被せ、そのバッグをシールテープで繊維強化プラスチック板に接着して密封し、真空ポンプでバッグ内を負圧０．０８５ＭＰａ以上に脱気した。その後、エポキシ樹脂（アプライドポレラミック社製ＳＣ−１５、負圧０．０８５ＭＰａ以上で１５分間脱泡したもの）を注入口側から負圧を利用して注入した。目視で液状マトリクス樹脂がバッグ内を十分に満たしたことを確認した後、注入口を閉じ、脱気しながら一晩放置した。その後、オーブンにて１２１℃で１．５時間、９３℃で４時間の条件でフィルム接着剤と注入した液状マトリクス樹脂を硬化させて、サンドイッチ構造材料であるサンドイッチパネル（Ａ）を得た。

（実施例４）
サンドイッチ構造材料用コア材（１）をサンドイッチ構造材料用コア材（２）に変更し、硬化条件を６５℃で２時間、１２０℃で１．５時間に変更した以外は実施例３と同様にしてサンドイッチパネル（Ｂ）を得た。

（比較例１）
サンドイッチ構造材料用コア材（１）をハニカムコア（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）に変更した以外は実施例３と同様にしてサンドイッチパネル（Ｃ）を得た。

（比較例２）
アルミハニカム（３００ｍｍ×２１８ｍｍ）の両側の表面にフィルム接着剤（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）を各一枚積層した。さらに、そのフィルム接着剤の外側表面にシール材となるポリエーテルイミドフィルム（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）を各一枚積層してサンドイッチ構造材料用コア材（３）を作製した。サンドイッチ構造材料用コア材（１）をサンドイッチ構造材料用コア材（３）に変更した以外は実施例３と同様にしてサンドイッチパネル（Ｄ）を得た。

（参考例１）
テーブルの上に離形剤を塗布し乾燥させ、その離型剤の上に炭素繊維織物を二枚積層し、その炭素繊維織物の上にピールプライを一枚積層し、そのピールプライの上に厚手の不織布を一枚積層した。次いで、液状マトリクス樹脂の注入口を炭素繊維織物の中央に線状に設置し、炭素繊維織物の両脇に脱気口を二つ線状に設置した。次いで、ナイロンフィルム製バッグを被せ、そのバッグをシールテープでテーブルに接着して密封し、真空ポンプでバッグ内を負圧０．０８５ＭＰａ以上に脱気した。その後、エポキシ樹脂（負圧０．０８５ＭＰａ以上で１５分間脱泡したもの）を注入側から負圧を利用して注入した。目視で液状マトリクス樹脂がバッグ内を十分に満たしたことを確認した後、注入口を閉じ、脱気しながら一晩放置した。その後、オーブンにて９３℃で４時間の条件で注入した液状マトリクス樹脂を硬化させた。これを繰り返して炭素繊維コンポジットシート（繊維強化樹脂層）を二枚作製した。
次いで、離形剤を塗布した繊維強化樹脂板の上に、炭素繊維コンポジットシートを３１０ｍｍ×２２８ｍｍにそれぞれカットし、炭素繊維コンポジットシート、フィルム接着剤（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）、ハニカムコア（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）、フィルム接着剤（３１０ｍｍ×２２８ｍｍ）、炭素繊維コンポジットシート、ピールプライ（３６８ｍｍ×３０５ｍｍ）を順次積層して積層体を形成した。その積層体にナイロンフィルム製バッグを被せ、バッグをシールテープで繊維強化プラスチック板に接着して密封した。次いで、真空ポンプでバッグ内を負圧０．０８５ＭＰａ以上に脱気し、これをオーブン中、１２１℃で１．５時間加熱し、接着剤を硬化させてサンドイッチパネル（Ｅ）を得た。

［測定］
パネルのフラットワイズ引張強度及びAreal Weightを測定した。
結果を表１に示す。
＜フラットワイズ引張強度＞
ＡＳＴＭＣ２９７に準拠して測定した。すなわち、サンドイッチパネル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）のコア本体部位を縦７６ｍｍ、横７６ｍｍにグライダーカッタにてそれぞれ切り出し、サンドブラスタで表面を粗し、その粗した面をアルミブロックに、接着剤（ロックタイトハイゾール EA 9309.3NA、硬化時間：室温４８時間以上）を介して固定した。そして、以下の条件で引張試験をし、表面材（繊維強化複合材）とコア材との剥離強度を測定した。
引張試験機：Ｉｎｓｔｒｏｎ４４８４
ロードセル：１５０ｋＮ
クロスヘッドスピード：０．５ｍｍ／分
測定数：５

＜Areal weight＞
サンドイッチパネル（Ａ）〜（Ｅ）のコア本体部位を縦７６ｍｍ、横７６ｍｍにグライダーカッタにてそれぞれ切り出した。最小目盛りが０．０１ｍｍのノギスで縦横各３点にて長さを測定し平均し、その値から面積を求めた。また、切り出した試験片の質量を電子天秤（最小値０．１ｍｇ）で測定した。試験片の質量を面積で割った値をAreal weight（単位；ｇ／ｍ^２）とした。

実施例３，４の製造方法では、コア材が枠体及びシール体を有していたため、コア本体内部への液状マトリクス樹脂の侵入を充分に防いでいた。また、枠体を有することにより、フィルム状のシール体でコア本体を包み込まなくてもよいため、サンドイッチ構造材料を得るための作業が簡便であった。サンドイッチ構造材料を製造において作業時間の短縮及び労力の削減を実現できた。しかも、実施例３，４の製造方法で得られたサンドイッチパネルのフラットワイズ引張強度（剥離強度）は公知の技術である繊維強化複合材料の表面材とコア材とを後接着した参考例１と同等以上の値を示した。
これに対し、枠体及びシール体を有さないコア材を用いた比較例１では、液状マトリクス樹脂がコア材内に侵入したため、得られたサンドイッチパネルのAreal weightは大きかった。また、シール体のみを有したコア材を用いた比較例２でも、液状マトリクス樹脂がコア材内に侵入したため、得られたサンドイッチパネルのAreal weightは大きかった。
公知の技術である繊維強化複合材料表面材とコア材とを後接着した参考例１のサンドイッチパネルは、剥離強度が良好であったものの、加熱工程を２回有していたため、作業時間が長く、消費エネルギー及び労力を削減できなかった。

本発明のサンドイッチ構造材料用コア材の一実施形態例を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。

符号の説明

１０サンドイッチ構造材料用コア材
１１コア本体
１１ａ主面
１１ｂ側面
１２シール材
１３枠体

Claims

繊維強化樹脂層が積層される主面と、側面とを有する中空のコア本体を具備するサンドイッチ構造材料用コア材において、
コア本体の主面の全面を被覆するシール体と、コア本体の側面の全面を被覆する枠体とをさらに具備することを特徴とするサンドイッチ構造材料用コア材。
請求項１に記載のサンドイッチ構造材料用コア材上に強化繊維を積層して積層体を形成し、その積層体に液状マトリクス樹脂を供給し、加熱して繊維強化樹脂層を設けることを特徴とするサンドイッチ構造材料の製造方法。