JP2007126793A

JP2007126793A - 積層体の裁断方法とプリフォーム基材及びそれを用いたプリフォームの製造方法

Info

Publication number: JP2007126793A
Application number: JP2005322172A
Authority: JP
Inventors: Masato Nishiike; 誠人西池; Kentaro Shima; 健太郎島; Hiromitsu Takamoto; 裕光高本
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】シート状の繊維強化材を積層した、形状安定性に優れると共にフレキシブルでもあるプリフォーム基材又はプリフォームを提供することと、そのためにシート状の繊維強化材の積層体を、作業効率良く裁断する方法を提供すること。
【解決手段】熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体を、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、この積層体を裁断ラインに沿って切断することからなる積層体の裁断方法、及び、得られたプリフォーム基材、並びにそれを用いたプリフォームの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体の裁断方法、それにより得られたプリフォーム基材、及びプリフォーム基材からプリフォームを製造する方法に関する。

繊維強化プラスチック成形品の製造には、繊維強化材を予備成形により賦形したプリフォームが使用される場合がある。かかる場合において、繊維強化材として、例えば、５０ｍｍ長程度にカットしたガラス繊維又は炭素繊維を使用した場合には、これらの繊維を接着剤と一緒に予備成形用の型に吹き付け、加熱硬化させてプリフォームを得ている。あるいは、繊維強化プラスチック成形品に高い物性が要求される場合には、連続繊維をシート状に加工した織物、多軸織物等の繊維強化材を用いてプリフォームを得ている。

シート状に加工した繊維強化材を使用した繊維強化プラスチック成形品は、従来、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ法）又はレジンフィルムインフュージョン成形法（ＲＦＩ法）を用いて成形されているものがある。ＲＴＭ法及びＲＦＩ法は、熱硬化性樹脂を用いた成形法の一種である。ＲＴＭ法においては、繊維強化材を型に敷設した後、型のキャビティーに樹脂を注入して繊維強化材に樹脂を含浸させ、硬化させることにより繊維強化プラスチック成形品を得る。一方、ＲＦＩ法においては、繊維強化材と共に樹脂フィルムを型に敷設して、加熱することにより繊維強化材に樹脂を含浸させ、硬化させることにより成形品を得る。

織物、多軸織物等のシート状の繊維強化材は、そのまま繊維強化プラスチック成形品の繊維強化材として用いるには厚さが不十分の場合は、複数枚を重ねて型に敷設し使用する。通常は、作業性の観点から、シート状の繊維強化材をある程度の厚さとなるまで積層して一体化した積層体（プリフォーム基材）を用いている。積層体の製造は、シート状の繊維強化材同士を接着剤を用いて貼り合わせるか、あるいは、シート状の繊維強化材間に、熱可塑性樹脂からなる熱溶着糸を用いて製造した不織布等を挟み込んで加熱することにより行う。長さが２ｍ以上の比較的大きな繊維強化プラスチック成形品を得る場合は、成形型に直接、シート状の繊維強化材をある程度の厚さとなるまで積層して、シート状の繊維強化材同士を接着剤等を用いて貼り合わせ、一体化した後、ＲＴＭ法またはＲＦＩ法で成形する。

繊維強化プラスチック成形品を高サイクルで成形する場合、あらかじめ賦形型で賦形した積層品（プリフォーム）を成形型に移動し、ＲＴＭ法またはＲＦＩ法で成形する。従って、積層品は移動に耐えられるだけの形状の安定性が必要である。形状の安定性を向上させるため、繊維強化材同士を接着剤で強固に接着固定する方法が取られている。接着剤としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を使用する方法がある。熱硬化性樹脂を使用する場合、繊維強化材の層間に接着剤を塗布し、その一部を繊維強化材に含浸させ、加熱により樹脂を硬化させる。
また、熱可塑性樹脂を使用する場合、熱溶着糸からなる不織布等を使用し、加熱により熱溶着糸を溶融させ繊維強化材層間を接着させるか、あるいは、熱溶着糸の一部を繊維強化材に溶融・含浸させ、積層品を硬くして形状を安定化する必要がある。

特開２００２−２２７０６７号公報特開２００３−８０６０７号公報特開２００３−８２１１７号公報特開２００４−１１４５８６号公報

しかしながら、接着剤を塗布し硬化させる方法は、シート状の繊維強化材の層間に存在する樹脂が硬化しているため、ＲＴＭ法又はＲＦＩ法に使用する樹脂の種類によっては、繊維強化材への樹脂含浸が不十分になったり、樹脂の硬化阻害作用があったりして、得られた繊維強化プラスチック成形品の層間物性が低下するという問題がある。また、熱溶着糸からなる不織布等を挟んで加熱する方法では、接着面積が大きいため、室温のコンポジット物性は問題ないが、熱間特性が低下するという問題点があった。また、成形品の用途によっては、プリフォーム基材を複雑な成形型に沿わすために、基材がある程度フレキシブルである必要があるが、層間が強固に接着していたり、あるいは層間の接着面積が大きい場合には、この様な目的には適さないという問題もあった。

本発明の目的は、シート状の繊維強化材を積層して、ＲＴＭ法又はＲＦＩ法により繊維強化プラスチック成形品の製造を行う場合に、繊維強化プラスチック成形品の層間物性を低下させず、予備成形時の形状を保持でき形状安定性に優れると共に、ある程度フレキシブルでドレープ性もあるプリフォーム基材又はプリフォームを提供することにある。そして、本発明の目的は、また、シート状の繊維強化材の積層体を、作業効率良く裁断することによって、前記プリフォーム基材を作成する方法を提供することにある。

本発明のうち第１の発明は、請求項１に記載された発明であり、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体を、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、この積層体を裁断ラインに沿って切断することを特徴とする積層体の裁断方法である。

本発明のうち第２の発明は、請求項８に記載された発明であり、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなり、所望の形状に裁断されたプリフォーム基材であって、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、この積層体を裁断ラインに沿って切断して得られたプリフォーム基材である。

そして発明のうち第３の発明は、請求項１０に記載された発明であり、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなり、所望の形状に裁断されたプリフォーム基材であって、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、この積層体を裁断ラインに沿って切断して得られたプリフォーム基材を、賦形型に設置し、次いで、６０〜１５０℃の賦形温度に加熱し、熱可塑性繊維を溶融させて織物層間を接着させ、次いで冷却することを特徴とするプリフォームの製造方法である。

本発明のプリフォーム基材は、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなるものであり、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅が加熱され、加熱部分の熱可塑性繊維が溶融して積層体が部分的に接着せしめられているので、形状安定性に優れると共にフレキシブルであり、ドレープ性があり複雑な成形型にも容易に沿わせることができる。

そして、本発明のプリフォーム基材又はプリフォームを用いて成形された繊維強化プラスチック成形品は、織物同士を強固に接着したものではなく、従来のような接着剤等を用いて、織物同士を強固に接着した積層品を使用したときのような、樹脂の含浸不良、層間物性の低下がほとんど起こらず、機械的特性に優れたものとなる。

本発明は、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体を用いるものである。強化繊維としては、特に制限はなく、一般に繊維強化樹脂複合材料における強化繊維として使用されるものであってよい。具体的には、無機繊維、有機繊維、金属繊維、金属被覆繊維またはそれらの混合から成り、無機繊維としては炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイト繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が用いられてよい。有機繊維の場合にはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維が挙げられる。本発明においては、比強度および比弾性率が高い炭素繊維あるいは黒鉛繊維が好ましい。熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物と共に積層体を構成するのは、強化繊維のシートや織物等公知のものであるが、好ましくは、強化繊維を経糸及び／又は緯糸として使用した平織物、綾織物、朱子織物や、平行に引き揃えた強化繊維束の集合からなる一軸織物、多軸織物等である。本発明において特に好ましいのは、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物が、３，０００デニール以下の炭素繊維からなる織物である。

本発明の熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物は、好ましくは、平織、綾織又は朱子織に熱可塑性繊維が交織されているものである。熱可塑性繊維としては、特に制限はないが、例えば、芳香族又は脂肪族のポリエステル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維が挙げられ。かかる繊維は、収束糸、交撚糸、あるいはモノフィラメントの形態で、上記織物に製織時に経及び／又は緯に織り込んでも良く、織物にした後から経及び／又は緯に縫込んでも良い。あるいは、糸又はモノフィラメントを、線状あるいはネット状にして、織物表面及び／又は裏面に、その形状を保ったまま弱く接着させても良い。かかるものは、全て、本発明の熱可塑性繊維を交織した織物の範疇に含まれる。

本発明の積層体としては、２枚の強化繊維の織物の間に熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を挟んだ、サンドイッチ型の積層体であるのが好ましい。あるいはまた、積層体が、強化繊維の織物と熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を、交互に積層した積層体であるものも好ましい。熱可塑性繊維の融点は６０〜１５０℃のものが好ましい。また、交織される熱可塑性繊維の量は、プリフォーム基材全体の重量の０．２〜６質量％とすることが好ましく、１〜５質量％とすることがより好ましい。

本発明のうち第１の発明においては、上記のような熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体を、所望の形状に裁断するに際し、予め、この積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、この積層体を裁断ラインに沿って切断する。

本発明の切断方法を図を参照しながら説明する。図１は、本発明の裁断方法を説明するための図であり、１は熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体であり、５は、この積層体の所望の裁断ライン２に沿った切抜き線４に従って切り抜かれた部分（切抜き線４により囲まれた部分）を有する型紙である。別な言い方をすれば、図１は、斜線を施した形状の型紙５が、積層体１の上に積載されている状態を示している。

図１の積層体１を裁断ライン２に沿って裁断ライン２を含む一定の幅、即ち、加熱境界を示す破線３と型紙の切抜き線４に挟まれた領域を、適当な方法、例えば、アイロンで、熱可塑性繊維の融点以上の温度に加熱する。これによって、加熱された領域の熱可塑性繊維は溶融し、積層体が部分的に接着される。その後、積層体１を裁断ライン２に沿って切断すれば、端部（切断部）がほつれ止めされた、図２に示したような形状の本発明のプリフォーム基材６が得られる。なお、図２において、７の領域は、プリフォーム基材６のほつれ止めされた端部、即ち、溶融した熱可塑性繊維による接着面積を示している。領域７が余りに広くなると、プリフォーム基材がフレキシブルではなくなるので、織物層間の全接触面積の２０％を超えないのが好ましい。

本発明のごとく、熱可塑性繊維が交織されている織物を用いると、織物層間の接着が部分接着になり接着面積が少なくなるので、熱可塑性樹脂の耐熱性が低い欠点の影響が現れず、得られた強化繊維プラスチック成形品のコンポジット物性のうち、特に熱間特性が低下しないという特性を有する。そのためには、溶融した熱可塑性繊維による接着面積が、織物層間の全接触面積の２０％を超えないものが、かかる点からも好ましい。

上記説明からもわかるとおり、型紙は、紙や布やプラスチックの型紙だけでなく、アイロン等を接触させた場合に熱を遮断できるものであれば何でも良い。更に、本発明において、積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱する手段・方法は、特に制限されるものではなく、前記のごとく型紙とアイロン等を用いる方法の他、熱ロールを用いて裁断ラインに沿って加熱する方法、加熱と切断を同時に行う方法等であっても良い。

本発明のプリフォーム基材は、上記のように、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなる、所望の形状に裁断されたプリフォーム基材であって、積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅で、熱可塑性繊維が溶融し積層体が部分的に接着せしめられているものである。本発明においては、このプリフォーム基材を賦形型に設置し、次いで、６０〜１５０℃の賦形温度に加熱し、全体の熱可塑性繊維を溶融させて織物層間を接着させ、次いで冷却してプリフォームを製造する。なお、プリフォーム基材からプリフォームを製造するに際しては、必要な場合には、プリフォーム基材のほつれ防止された端部以外の部分を、更に部分的に熱可塑性繊維の融点以上に加熱して部分接着させ、プリフォーム基材の安定性をより高めておいても良い。

本発明のプリフォームの製造は、プリフォーム基材を、加熱した賦形型に敷設する方法、あるいは、加熱したプリフォーム基材をその温度に保持したまま、賦形型に敷設する方法等で行うことができる。賦形型の加熱温度、又はプリフォーム基材の賦形時の加熱温度は、いずれも６０〜１５０℃とするのが好ましい。賦形型に敷設したプリフォーム基材は、プレス等による加圧後又は加圧下に冷却しても良い。また、プリフォームの製造に際しては、本発明のプリフォーム基材と他のプリフォーム基材を併用しても良い。併用する場合は、プリフォームの形状安定性を高めるため、本発明のプリフォーム基材を５０質量％以上使用することが好ましい。

本発明のプリフォーム基材及びプリフォームは、織物層間に配置した接着剤で強固に接着させ、更に接着剤の一部を繊維強化材に溶融・含浸させ、積層品を硬くして形状を安定化する必要がない。また、本発明のプリフォーム基材及びプリフォームにおいては、積層体の外層の織物等の特性は特に制限されない。しかし、それらの織物等の特徴を生かすためには、内層の織物、即ち、熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物は、３，０００デニール以下の強化繊維を用いたものであるのが好ましい。熱可塑性繊維の量は、前述のごとくプリフォーム基材全体の重量の０．２〜６質量％とすることが好ましく、１〜５質量％とすることがより好ましい。

このように、本発明においては、全体として、織物層間に配置する熱可塑性繊維の量が少ないので、溶融した熱可塑性繊維による接着面積も少なくなり、熱可塑性接着剤の耐熱性が低い欠点を抑えることができる。接着面積は、織物層間の接触面積の２０％を超えないのが好ましい。これらの結果、本発明のプリフォーム基材及びプリフォームを、公知のＲＴＭ法又はＲＦＩ法により繊維強化プラスチック成形品とする場合、繊維強化材への樹脂含浸が不十分になったり、得られた強化繊維プラスチック成形品のコンポジット物性、特に熱間特性が低下するという問題は発生しない。

本発明の繊維強化プラスチック成形品は、前記のごとくして得られたプリフォーム基材、又は、これを加熱賦形して得られたプリフォームを用いて、樹脂トランスファー成形法又はレジンフィルムインフュージョン成形法により成形することによって得られる。樹脂トランスファー成形又はレジンフィルムインフュージョン成形においては、従来公知の方法・手段等を採用することができる。

樹脂トランスファー成形又はレジンフィルムインフュージョン成形においては、マトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂から選ばれる樹脂がある。これらは１種又は２種以上の混合物として用いることもできる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミドがある。これらの樹脂は、２種以上併用しても良い。以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
（サンドイッチ型の積層体の作成）
先ず、２枚の強化繊維の織物の間に熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を挟んだ、サンドイッチ型の積層体を作成した。具体的には、２枚の炭素繊維の織物（Ｗ−７Ｕ６１、東邦テナックス社製、７２００デニールの炭素繊維を５．９本／インチの密度で経糸緯糸とした平織物）の間に、ナイロン６の繊維を交織した炭素繊維の織物（Ｗ−３１６１、東邦テナックス社製、１８００デニールの炭素繊維を１２．３本／インチの密度で経糸緯糸とした平織物に、２４７６デニールの融点１１０℃のナイロン６フィラメントを、千鳥状に５．５重量％交織したもの）を挟んだ積層体を作成した。

（プリフォーム基材の製造）
上記で作成した積層体（１×１ｍ）上に、図１に示したような切り抜かれた部分を有するダンボール製の型紙５を積載した。型紙の切抜き線４と切断ライン２の間隔は約２０ｍｍである。次に、型紙の切抜き線４から約７７ｍｍの間隔の領域、即ち、切断ラインを含み図２の破線３に至る領域を、電気アイロンで１６０℃に加熱しナイロンを溶融させ層間を接着させた。その後、型紙を取り去り、裁断ライン２に沿って引き刃裁断機によって裁断し、プリフォーム基材を製造した。得られたプリフォーム基材は、端部はほつれ止めされており寸法精度が良く、そしてそれ以外の部分は伸縮性を保ち且つドレープ性のあるものであった。

［比較例１〜２］
実施例１と同じ２枚の織物の間に、熱可塑性繊維ナイロン６の不織布を挟んで積層体とし、これを加熱ロールにより１ｇ／ｃｍ^２圧力下、１６０℃に加熱してプリフーム基材を得た。
得られたプリフーム基材は、実施例１のものに比べて伸縮性がなく、ドレープ性も劣っていた。

（繊維強化プラスチック成形品の製造）
実施例１で得られた織物を３枚積層して得たプリフォーム基材を、ハット形状の金型にセットし、その上にピールクロスのＲｅｌｅａｓｅＰｌｙＣ（ＡＩＲＴＥＣＨ社製）と樹脂拡散基材のＲｅｓｉｎＦｌｏｗ６０（ＡＩＲＴＥＣＨ社製）を積層した。その後、樹脂注入口と樹脂排出口形成のためのホースを配置した。積層した基材その他の上に金型に沿った形状のゴム型を設置し、全体をナイロンバッグフィルムで覆い、シーラントテープを用いて、プリフォーム、ピールクロス、樹脂拡散基材をゴム型と金型との間に密閉し、内部を真空にした。

続いて、キャビティー内を５ｔｏｒｒ以下に減圧した後、樹脂注入口を通して、真空系内へエポキシ樹脂の注入を行った。注入した樹脂が金型のキャビティ内に充満し、プリフォーム材に含浸した状態で約１時間保持し、成形物を得た。成形物を脱型後、８０℃のオーブンで２時間、アフターキュアーし製品を得た。

本発明の裁断方法を説明するための図。本発明の裁断されたプリフォーム基材。

符号の説明

１熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体
２裁断ライン
３加熱境界を示す線
４型紙の切抜き線
５型紙
６本発明のプリフォーム基材
７プリフォーム基材のほつれ止めされた端部

Claims

熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体を、所望の形状に裁断するに際し、予め、該積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、該積層体を裁断ラインに沿って切断することを特徴とする積層体の裁断方法。
積層体が、２枚の強化繊維の織物の間に熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を挟んだ、サンドイッチ型の積層体である請求項１記載の積層体の裁断方法。
積層体が、強化繊維の織物と熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を、交互に積層した積層体である請求項１記載の積層体の裁断方法。
熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物が、平織、綾織又は朱子織からなるものである請求項１〜３のいずれか１項記載の積層体の裁断方法。
熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物が、３，０００デニール以下の強化繊維からなる織物である請求項１〜４のいずれか１項記載の積層体の裁断方法。
熱可塑性繊維の重量が、積層体全体の重量の０．２〜６重量％である請求項１〜５のいずれか１項記載の積層体の裁断方法。
熱可塑性繊維の融点が、６０〜１５０℃である請求項１〜６のいずれか１項記載の積層体の裁断方法。
熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなり、所望の形状に裁断されたプリフォーム基材であって、所望の形状に裁断するに際し、予め、該積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、該積層体を裁断ラインに沿って切断して得られたプリフォーム基材。
溶融した熱可塑性繊維による接着面積が、織物層間の接触面積の２０％を超えないことを特徴とする請求項８記載のプリフォーム基材。
熱可塑性繊維を交織した強化繊維の織物を内層に含む積層体からなり、所望の形状に裁断されたプリフォーム基材であって、所望の形状に裁断するに際し、予め、該積層体の裁断ラインに沿って裁断ラインを含む一定の幅を加熱し、加熱部分の熱可塑性繊維を溶融させ積層体を部分的に接着せしめ、次いで、該積層体を裁断ラインに沿って切断して得られたプリフォーム基材を、賦形型に設置し、次いで、６０〜１５０℃の賦形温度に加熱し、熱可塑性繊維を溶融させて織物層間を接着させ、次いで冷却することを特徴とするプリフォームの製造方法。