JP2007203579A - 繊維強化プラスチック用ガラス繊維予備成形体基体、ガラス繊維予備成形体およびその製造方法並びに繊維強化プラスチック - Google Patents

Abstract

【課題】賦形性に優れ、かつ保形性に優れた、繊維強化プラスチックに使用されるガラス繊維予備成形体基材の提供。
【解決手段】ガラス繊維予備成形体基材は、ガラス繊維糸および熱可塑性樹脂繊維を編糸とする編物と、編物の両面に配置されたガラス繊維チョップドストランドマットとを有し、編物とガラス繊維チョップドストランドマットが、熱可塑性樹脂またはガラス繊維糸により連結されていることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の成形に使われるガラス繊維予備成形体用の基材、その基材を使用したガラス繊維予備成形体およびその製造方法、並びにそのガラス繊維予備成形体を使用した繊維強化プラスチックに関するものである。

繊維強化プラスチック成形に使われるガラス繊維予備成形体の作製方法には、ダイレクトプリフォーム法及びスタンプドプリフォーム法が知られている。
ダイレクトプリフォーム法は、５ｃｍ程度に切断したロービングを液状結合剤とともに所定形状のプリフォーム型に吹き付けた後、加熱乾燥させて固着性を与え、冷却後に型から取り外して予備成形体を成形する方法である。この方法は、保形性に優れているが、液状結合剤を吹き付けるため、作業環境が悪くなるという欠点を有し、また、インライン生産に適さなかった。

スタンプドプリフォーム法は、このダイレクトプリフォーム法の欠点を解決するものであって、有機バインダが表面に固着しているガラス繊維ストランドマット等を複数枚積層して、成形上型および下型の間で圧縮成形する方法である。この方法では、ダイレクトプリフォーム法のような作業環境の悪化は起こらず、また、インライン生産が容易である。

このようなプリフォーム用補強基材として、ガラス繊維編物を使用することが、特許文献１に記載されている。編物は、伸縮性に富むため、立体形状を有する成形体の補強材に有効であり、また、一定の厚さを有するため、何層もの積層が必要なく、樹脂の含浸も良好である。さらに、特許文献１では、ガラス繊維糸にバルキー加工を施したバルキー糸をガラス繊維糸とともに編物の構成糸として使用しており、バルキー糸の表面のループや毛羽により糸同士の滑りを抑え、取り扱い中の目ずれを防止している。

特開平８−２９６１５４号公報

スタンプドプリフォーム法では、ガラス繊維の表面に付着させた有機バインダーによってガラス繊維同士を接着させて、ガラス繊維予備成形体の形が崩れないようにしているが、ガラス繊維の表面に付着させた有機バインダーでは接合力が不十分なため、ガラス繊維予備成形体の保形性は十分でない。また、大きな圧力でガラス繊維予備成形体を賦形しようとすると、板圧方向に圧縮応力が作用してガラス繊維予備成形体内のガラス繊維が密に充填される。そのため、マトリックス樹脂の注入成形時に樹脂の流動性や含浸性能が低下する問題が発生する。

さらに、深絞り形状のガラス繊維予備成形体を製造する場合は、マット部分のガラス繊維が伸ばされて繊維の絡みが解け、また繊維が切断されることによって、ガラス繊維面密度が場所によってばらつくことが起こる。ガラス繊維面密度のばらつきは、繊維強化プラスチック製品の強度分布のばらつきにつながり、局部的に強度の小さい製品では、製品全体の強度の低下が起こる。さらに、ガラス繊維予備成形体の製造の際に、プリフォーム最外層の熱可塑性樹脂が型に固着してその取り外しのため作業効率が悪くなり、さらに、外観上の欠陥が生じる問題も発生する。

前記のとおり、特許文献１では、目ずれの防止のためにバルキー糸をガラス繊維糸とともに編物の編糸として用いている。しかし、この方法によっても、ガラス繊維予備成形体の形状はガラス繊維表面のバインダーによって保たれるので、ガラス繊維予備成形体の保形性は十分なものとは言えない。

本発明の目的は、保形性かつ賦形性に優れ、樹脂流動性が大きく、曲げ強度及び曲げ弾性率が大きく、型離れの優れたガラス繊維予備成形体基材並びにその基材を成形した予備成形体およびその製造方法を得ることである。さらに、本発明の目的は、前記のガラス繊維予備成形体を含有する繊維強化プラスチックを得ることである。

本発明の一観点によれば、ガラス繊維糸および熱可塑性樹脂繊維を編糸とする編物と、編物の両面に配置されたガラス繊維チョップドストランドマットとを有し、前記編物と前記ガラス繊維チョップドストランドマットが、熱可塑性樹脂繊維またはガラス繊維糸により連結されている、繊維強化プラスチック成形に使用されるガラス繊維予備成形体用の基材が提供される。ガラス繊維予備成形体基材に含まれる編物に熱可塑性樹脂繊維を含有させることにより、ガラス繊維予備成形体の成形の間に、加熱によって熱可塑性樹脂繊維が溶融し、溶融した熱可塑性樹脂は、ガラス繊維糸が互いに接触する隙間に入り込む。冷却により、熱可塑性樹脂繊維が固化するとガラス繊維糸同士を強固に固定するため、ガラス繊維予備成形体の形状が崩れなくなり、保形性能が向上する。

また、編物の両側にガラス繊維チョップドストランドマットを有する予備成形体基材が提供され、編物と、編物に用いた熱可塑性樹脂繊維糸より融点の高い熱可塑性樹脂繊維またはガラス繊維の糸により連結されて一体にされる構成により、基材内層部の編物の弾発性によってチョップストランドマットが付勢されて、予備成形体内でガラス繊維が局所的に密に充填された所が形成されなくなる。そのため、予備成形体内に、適切な大きさの気孔が保持されて、繊維強化プラスチック成形の際の樹脂流動性および含浸性の向上が得られる。さらに、繊維強化プラスチックに成形された場合、成形品の表面近傍にチョップドストランドマットが位置するため、成形品の表面近傍部のガラス繊維の含有率が大きくなり、曲げ強度が向上する。

編物とその両側のチョップドストランドマットを熱可塑性樹脂繊維またはガラス繊維の糸で連結することにより、深絞り形状の予備成形体を作製する場合でも、マットが引っ張られて引きちぎられてガラス繊維の分布にばらつきが生じることが無い。さらに、チョップドストランドマットは熱可塑性樹脂を含んでいないため、チョップドストランドマットが離型用材料として作用して、予備成形体作製時の圧縮成形によっても型に張り付かない。

本発明に使用される編物は、伸縮性および多孔性に優れた編み方をされたものが好ましい。このような編み方としては、編目が丸いリング状になって外へ飛び出してくるような編み方が好ましい。従って、本発明に使用される編物としては、経編でも可能だが、とりわけ緯編が好適である。このような編物を使用すると、予備成形体への成形時に、曲面などの形状になじみ易くなり、賦形性能の向上が得られるとともに、その多孔性により樹脂流動性も得られる。

本発明の他の観点によれば、前記の予備成形体基材を用いて作製されたガラス繊維予備成形体が提供される。本発明によるガラス繊維予備成形体は、前記のとおり、予備成形体内のガラス繊維のばらつきが少なく、保形性および賦形性に優れ、繊維強化プラスチック成形時の樹脂流動性および含浸性にも優れ、成形時の型への張り付きが少ないものである。

本発明の更なる観点によれば、前記の予備成形体基材を準備する段階と、該予備成形体基材を、編物の熱可塑性樹脂繊維の融点より高い温度に加熱して溶融状態にする段階と、溶融した前記熱可塑性樹脂が冷却され再び固化するまでに、熱可塑性樹脂を賦形する段階とを含むガラス繊維予備成形体の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、前記のガラス繊維予備成形体を有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が提供される。本発明による繊維強化プラスチックは、前記のとおり、成形品表面近傍部分にチョップドストランドマットが位置するため、成形品の表面部分のガラス繊維の含有率が大きくなり、大きな曲げ強度及び曲げ弾性率を有する。

以下、本発明に係るガラス繊維予備成形体基体を、図面を参照して、以下に詳細に説明する。
図１に、本発明による予備成形体基材１の積層構造を示す。
本発明に係るガラス繊維予備成形体基材に用いる編物２は、ガラス繊維糸と熱可塑性樹脂繊維糸とを編糸とする編物である。編物の編み方には、通常、経編と緯編の２種類がある。経編は、多数のたて糸を配列し、これをループで連結させて横１段の編目を一度に作りながら編んでいく編み方であり、他方、緯編は通常１本の糸で編目を１つずつよこ方向に作りながら１段ずつ編んでいく編み方である。

緯編は、伸縮性と多孔性に優れているため、本発明に使用する編物として好ましい。
緯編には、平編み、ゴム編、パール編、タック編、浮き編、片あせ編、両面編、レース編、添え糸編等が知られているが、これらの混合したものでもよい。とりわけ、表面に筋状の凹凸が形成される編み方は、チョップドストランドマットと編物との３層構造を有する基材に適している。チョップドストランドマットと編物との間に溝が形成されて、繊維強化プラスチック形成時に樹脂が流路として作用するので、樹脂の含浸性が向上する。

本発明に使用する編物として、とりわけ、両面編機によって編まれた両面出合による編物が好ましい。この編物としては、例えば、インターロック、エイトロック、三段両面、クロス・ミス・インターロック、ロイアル・インターロック、モック・ロイアル・インターロック、ブーレ、ブーレ・インターロック、モック・ミラノ・リブＩ、モック・ミラノ・リブＩＩ、シングル・ピケ、テキシー・ピケ、ピンタック、タック・リップル、ウェルト・リップル、モック・ロディー、ポンチ・ロマ等がある。これらの編物は、弾力性が大きく厚さも大きくなるため、繊維強化プラスチック成形の際の樹脂流動性および含浸性の向上が得られる。この中でも、６口で１完全組織をつくるピンタック編が好ましい。

本発明における編物においては、熱可塑性樹脂繊維の編物に対する比率は、５．０〜３０．０重量％が好適である。この比率が５．０％より小さいと、保形効果が小さくなり、３０．０％より大きいと、予備成形体中のガラス繊維密度が小さくなる。

また、熱可塑性樹脂繊維の編糸の番手が５０〜６００デニールであり、ガラス繊維の編糸の番手が３３〜１１００ＴＥＸであることが好ましい。そして、編物における熱可塑性樹脂繊維の編糸の本数は、編物の編糸の総本数の１／６〜１／２が好適である。

編物に用いる熱可塑性樹脂繊維は、融点が８０〜２４０℃のものが好ましい。融点が８０℃より低いと繊維強化プラスチック製品の耐熱特性が低下し、融点が２４０℃よりも高いと、予備成形作業性が悪くなる。

また、編物の厚さが１〜８ｍｍであることが好ましい。

編物２の両側にガラス繊維チョップドストランドマット４が配置され、ガラス繊維チョップドストランドマット４と編物２とは、ステッチ糸６により連結されている。ステッチ糸６は、編物に用いる熱可塑性樹脂繊維糸より融点の高い熱可塑性樹脂繊維糸またはガラス繊維の糸である。基材１は、予備成形体に所定形状を付与するために、上型と下型の間で成形される。ステッチ糸６で連結されているため、編物２とガラス繊維チョップドストランドマット４とのずれは防止される。予備成形体の成形の際、加熱により編物の熱可塑性樹脂繊維が溶けて、表面張力により編糸の表面に広がり、編糸同士、および編物２とガラス繊維チョップドストランドマット４を固着させて、成形後の保形性を向上させる。編物のうちでもゴム編みを組織の一部として含む編物はとりわけ伸縮性に優れているため、成形による大きな歪みにも追従でき、繊維の切断や厚さの減少が軽減され、賦形性にも優れている。

以上に説明した本発明の特徴は、様々な応用例に適用するために、最適な形態に変形し、組み合わせることが可能である。本明細書には明示的には示していなくても、当業者であれば、そのような変形または組み合わせが黙示的に示されていることは理解できよう。

実験例
表１に記載する本発明に係る予備成形体基材（実施例１）および比較材（比較例１〜３）を作製し、その賦形性、保形性、樹脂流動性、型離れ性、および曲げ強度を測定して、比較を行った。

本発明による実施例１の基材は、編物の編糸としては、ガラス繊維（ＥＣＨ５０−１／０無撚り、１００ＴＥＸ）とナイロン繊維（３３．４ＴＥＸ）とを１対１の割合で用い、編み方は、ピンタック編を用いた。ゲージは３．５、度目は３７とし、編目付けは５７０／ｍ^２であった。この編物の両側にチョップドストランドマットＭＣ３００（ＭＣ３００は、３００ｇ／ｍ^２の面密度を有することを示す）を配して、ポリエステル系（９．２ＴＥＸ）のステッチ糸で、編物とチョップドストランドマットを縫い合わせて一体とした。

比較例１の基材は、編物の編糸に熱可塑性樹脂繊維を用いないでガラス繊維（ＥＣＨ５０−１／０無撚り、１００ＴＥＸ）のみによりピンタック編みしたものである。その他の構成は、実施例１と同じであり、この編物の両側にチョップドストランドマット（ＭＣ３００）を配して、ポリエステル系（９．２ＴＥＸ）のステッチ糸で、編物とチョップドストランドマットを縫い合わせて一体とした。比較例２の基材は、チョップドストランドマットＭＣ６００（ＭＣ６００は、６００ｇ／ｍ^２の面密度を有することを示す）を２枚重ね合わせたものである。チョップドストランドマットとして、厚いマットを使用して、基材の面密度を実施例１における基材とほぼ同じにしている。

以上の基材を用いてスタンプドプリフォーム法により、３００ｍｍ程度の半球状の予備成形体を作製した。さらに、比較例３として、従来のダイレクトプリフォーム法により作製された予備成形体も作製した。これらの工程において、賦形性、樹脂流動性、型離れ性を定性的に評価した。作製された予備成形体は、成形体の曲げ強度の測定に供した。曲げ強度及び曲げ弾性率は、ＪＩＳ７０１７に規定された方法により測定した。保形性の測定については、長さ１５０ｍｍ、幅５０ｍｍの平板状の予備成形体試験片を作製し、１００ｍｍの間隔をあけて設けられた支持台に試料を渡して置き、支持台の間隔の中央位置に１００ｇ、２００ｇ、または３００ｇの重さの錘を載せた場合の試験片のたわみ量を測定して評価した。これらの結果を表２に示す。

保形性については、比較例１では、１００ｇの錘に対しては６ｍｍのたわみ量が得られたが、２００ｇの錘を置いたところ、錘を保持できずに大きく撓んで落下した。比較例３も、１００ｇの錘に対しては２．３ｍｍのたわみ量が得られたが、２００ｇの錘では落下した。しかし、実施例１では、３００ｇの錘に対しても落下は起きず、たわみ量は１００ｇで１ｍｍ、２００ｇで２．３ｍｍ、３００ｇで６ｇとなり、各比較例に比較して小さい値を示した。

賦形性、樹脂流動性、型離れ性においても、実施例１はいずれにおいても比較例１と同等の良好な結果が得られ、曲げ強度も２０３ＭＰａと比較例１と同じ値が得られた。これらの評価では、比較例２および比較例３はいずれも、実施例１に比較して大きく劣る結果となった。
以上の試験結果より、実施例１の予備成形体基材およびそれを用いた予備成形体は、保形性に優れるとともに賦形性、樹脂流動性および型離れにおいて優れており、その成形体は曲げ強度及び曲げ弾性率に優れたものである。

本発明による予備成形体基材の積層構造を示す図。

符号の説明

１ 予備成形体基材
２ 編物
４ ガラス繊維チョップドストランドマット
６ ステッチ糸

Claims (4)

1. 繊維強化プラスチックに使用されるガラス繊維予備成形体基材において、該基材が、ガラス繊維糸および熱可塑性樹脂繊維を編糸とする編物と、該編物の両面に配置されたガラス繊維チョップドストランドマットとを有し、前記編物と前記ガラス繊維チョップドストランドマットが、熱可塑性樹脂繊維またはガラス繊維糸により連結されていることを特徴とする予備成形体基材。
2. 請求項１に記載された予備成形体基材を用いて作製されたガラス繊維予備成形体。
3. 請求項１に記載された予備成形体基材を準備する段階と、
   前記予備成形体基材を、前記熱可塑性樹脂繊維の融点より高い温度に加熱して溶融状態にする段階と、
   溶融した前記熱可塑性樹脂が冷却され再び固化するまでに、前記熱可塑性樹脂を賦形する段階とを含む、ガラス繊維予備成形体の製造方法。
4. 請求項２に記載されたガラス繊維予備成形体を有する繊維強化プラスチック。