JP2008126615A - Method for manufacturing fiber-reinforced plastic member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フィラメントワインディング法によるFRP部材の製造方法の技術に関する。 The present invention relates to a technique for manufacturing a FRP member by a filament winding method.
自動車等の車輌用プロペラシャフト、電気自動車等に搭載される圧力容器(ガスボンベ)等は、鉄等に比べて軽量性、強靭性に優れているFRP(Fiber Reinforced Plastic)部材が用いられている。FRP部材は、例えば、樹脂等の基材と、マトリックス樹脂を含む繊維の層であるFRP層(又は多層FRP層)とを備える。 BACKGROUND ART A pressure vessel (gas cylinder) mounted on a propeller shaft for a vehicle such as an automobile or an electric vehicle uses an FRP (Fiber Reinforced Plastic) member that is superior in weight and toughness compared to iron or the like. The FRP member includes, for example, a base material such as a resin and an FRP layer (or a multilayer FRP layer) that is a fiber layer containing a matrix resin.
多層FRP層を形成する方法としては、一般的にフィラメントワインディング法が知られている。フィラメントワインディング法とは、例えば、マトリックス樹脂を含浸した繊維を、円筒状の基材に巻き付けて、多層FRP層を形成するものである。 As a method for forming a multilayer FRP layer, a filament winding method is generally known. In the filament winding method, for example, a fiber impregnated with a matrix resin is wound around a cylindrical substrate to form a multilayer FRP layer.
FRP部材は、フィラメントワインディング法を用いて多層FRP層を形成し、多層FRP層を加熱硬化させることによって得られる。 The FRP member is obtained by forming a multilayer FRP layer using a filament winding method and heat-curing the multilayer FRP layer.
例えば、特許文献1、2には、円筒状のガスバリア性を有する基材に、フィラメントワインディング法を用いて、マトリックス樹脂を含浸した繊維を巻き付けて多層FRP層を形成し、多層FRP層を加熱硬化等させて、ガスボンベを製造する方法が提案されている。 For example, Patent Documents 1 and 2 describe that a multilayer FRP layer is formed by winding a fiber impregnated with a matrix resin around a cylindrical base material having a gas barrier property, and heating and curing the multilayer FRP layer. A method of manufacturing a gas cylinder by making them equal is proposed.
しかし、特許文献1、2の製造方法では、多層FRP層内のマトリックス樹脂は、同一種類のものが用いられている。そのため、多層FRP層を加熱硬化させる際に低粘度化したマトリックス樹脂が、多層FRP層から流れ出てしまう。特に、多層FRP層の内層側(基材側)のマトリックス樹脂が、硬化する前に外層側(基材と反対側)に染み出し易くなってしまう。 However, in the manufacturing methods of Patent Documents 1 and 2, the same type of matrix resin in the multilayer FRP layer is used. Therefore, the matrix resin whose viscosity has been reduced when the multilayer FRP layer is heat-cured flows out of the multilayer FRP layer. In particular, the matrix resin on the inner layer side (base material side) of the multilayer FRP layer tends to ooze out to the outer layer side (side opposite to the base material) before curing.
そうすると、多層FRP層全体のマトリックス樹脂の含有量が減少して、繊維体積含有率(Vf)が高くなり、得られるFRP部材の強度が低下してしまう。 If it does so, content of the matrix resin of the whole multilayer FRP layer will reduce, fiber volume content rate (Vf) will become high, and the intensity | strength of the FRP member obtained will fall.
通常、加熱硬化時に多層FRP層の内層側のマトリックス樹脂が、外層側に染み出さないようにするために、基材にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける張力(フィラメントワインディング張力:以下FW張力)等で調製することも可能である。しかしFW張力等で調製すると、多層FRP層全体がマトリックス樹脂リッチとなり、繊維体積含有率が低くなるため、FRP部材の重量増加、品質低下、剛性低下、強度低下等が起こる場合がある。 Usually, in order to prevent the matrix resin on the inner layer side of the multilayer FRP layer from exuding to the outer layer side during heat curing, the tension (filament winding tension: hereinafter referred to as FW tension) for winding the fiber containing the matrix resin around the substrate It is also possible to prepare. However, when prepared with FW tension or the like, the entire multilayer FRP layer becomes rich in the matrix resin and the fiber volume content decreases, so that there may be an increase in the weight of the FRP member, a decrease in quality, a decrease in rigidity, a decrease in strength, and the like.
このように、通常、フィラメントワインディング法では、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができない。後述する湿式フィラメントワインディング法では特に困難である。また、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールして、多層FRP層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし(すなわち低い繊維体積含有率)、外層側を高い繊維体積含有率とすることは、FRP部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図る点で有効である。 Thus, normally, the filament winding method cannot control the content of the matrix resin and the fiber volume content of each layer of the multilayer FRP layer. This is particularly difficult with the wet filament winding method described below. In addition, by controlling the matrix resin content and fiber volume content of each layer of the multilayer FRP layer, the inner layer side of the multilayer FRP layer is rich in matrix resin (that is, low fiber volume content), and the outer layer side contains a high fiber volume. It is effective in terms of improving the strength, weight reduction, quality improvement, etc. of the FRP member.
本発明は、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるFRP部材の製造方法である。特に、多層FRP層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるFRP部材の製造方法である。 This invention is a manufacturing method of the FRP member which can control the content of the matrix resin of each layer of a multilayer FRP layer, and fiber volume content rate. In particular, this is a method for producing an FRP member in which the inner layer side of the multilayer FRP layer is rich in matrix resin and the outer layer side can have a high fiber volume content.
本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層FRP層を形成し、前記多層FRP層を加熱硬化させてFRP部材を製造するFRP部材の製造方法であって、前記多層FRP層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。 The present invention is a method of manufacturing an FRP member in which a fiber including a matrix resin is wound around a substrate using a filament winding method to form a multilayer FRP layer, and the multilayer FRP layer is heated and cured to manufacture an FRP member. A matrix resin having a different curing start temperature is used for each single layer or each of the plurality of layers of the multilayer FRP layer.
また、本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層FRP層を形成し、前記多層FRP層を加熱硬化させてFRP部材を製造するFRP部材の製造方法であって、前記多層FRP層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いる。 In addition, the present invention is a method for manufacturing an FRP member in which a fiber including a matrix resin is wound around a substrate using a filament winding method to form a multilayer FRP layer, and the multilayer FRP layer is heated and cured to manufacture an FRP member. Then, a matrix resin having a different curing start temperature and different viscosity at the start of curing is used for each single layer or each of the plurality of layers of the multilayer FRP layer.
また、前記FRP部材の製造方法において、前記多層FRP層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the FRP member, it is preferable to use a matrix resin having a lower curing start temperature toward the outer layer in the multilayer FRP layer.
また、前記FRP部材の製造方法において、前記多層FRP層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the said FRP member, it is preferable to use matrix resin with a high hardening start temperature, so that it goes to an outer layer among the said multilayer FRP layers.
また、前記FRP部材の製造方法において、前記多層FRP層のうち、外層に向かうほど、硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the said FRP member, it is preferable to use the matrix resin whose viscosity at the time of a hardening start is so low that it goes to an outer layer among the said multilayer FRP layers.
本発明によれば、多層FRP層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるFRP部材の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the matrix resin content and the fiber volume content of each layer of the multilayer FRP layer are controlled by using a matrix resin having a different curing start temperature for each single layer or multiple layers of the multilayer FRP layer. The manufacturing method of the FRP member which can be provided can be provided.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本実施形態に係るFRP部材の製造方法は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層FRP層を形成し、多層FRP層を加熱硬化させてFRP部材を製造するものであって、多層FRP層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。 The manufacturing method of the FRP member according to the present embodiment is a method of manufacturing a FRP member by winding a fiber including a matrix resin around a substrate using a filament winding method to form a multilayer FRP layer, and heat-curing the multilayer FRP layer. And the matrix resin from which hardening start temperature differs is used for every single layer or multiple layers of a multilayer FRP layer.
本実施形態に用いられるフィラメントワインディング法には、湿式フィラメントワインディング法、乾式フィラメントワインディング法等がある。 The filament winding method used in this embodiment includes a wet filament winding method, a dry filament winding method, and the like.
図1は、湿式フィラメントワインディング法による多層FRP層の作製例を示す図である。本実施形態では、硬化開始温度の異なる3種類のマトリックス樹脂を用いたものを例として説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a production example of a multilayer FRP layer by a wet filament winding method. In the present embodiment, an example using three types of matrix resins having different curing start temperatures will be described.
図1に示すように、リール14aから繰り出された繊維16が、樹脂浴槽10a内のマトリックス樹脂12aに浸漬された後、ロール18aによって繊維16内の余分なマトリックス樹脂12aが取り除かれる。その後、マトリックス樹脂12aが浸漬された繊維16は、基材20に巻き付けられ、単層又は複数層のFRP層が形成される。その後、上記同様に、マトリックス樹脂12bが浸漬された繊維16が、基材20に、マトリックス樹脂12cが浸漬された繊維16が基材20に順次巻き付けられ、単層又は複数層のFRP層が形成される。このようにして多層FRP層が形成される。
As shown in FIG. 1, after the
一方、乾式フィラメントワインディング法よる多層FRP層の作製は、例えば、繊維に、予め硬化開始温度の異なる樹脂A,B,Cをそれぞれ含浸したもの(プリプレグA,B,C)が、順次基材に巻き付けられ、多層FRP層が形成される。 On the other hand, the production of the multilayer FRP layer by the dry filament winding method is performed by, for example, sequentially impregnating fibers with resins A, B, and C having different curing start temperatures (prepregs A, B, and C) on the base material in order. Wrapping to form a multilayer FRP layer.
次に、フィラメントワインディング法によるマトリックス樹脂含有の繊維(プリプレグも含む)の巻き付け方の例を説明する。図2(イ)は、フィラメントワインディング法におけるフープ巻きの一例を示す模式図であり、図2(ロ)は、フィラメントワインディング法におけるヘリカル巻きの一例を示す模式図である。図2(イ)に示すように、フープ巻きとは、基材20の軸方向(矢印X)に対して略垂直にマトリックス樹脂含有の繊維16を巻き付けるものである。また、図2(ロ)に示すように、ヘリカル巻きとは、基材20の軸方向(矢印X)に沿って、マトリックス樹脂含有の繊維16をらせん状に巻き付けるものである。上記フープ巻き、ヘリカル巻き等によって、基材20にFRP層を形成することができるが、本実施形態の巻きつけ方としては、上記フープ巻き、ヘリカル巻きに限定されるものでない。
Next, an example of how to wind the fiber (including prepreg) containing the matrix resin by the filament winding method will be described. 2A is a schematic diagram illustrating an example of hoop winding in the filament winding method, and FIG. 2B is a schematic diagram illustrating an example of helical winding in the filament winding method. As shown in FIG. 2A, the hoop winding is to wind the matrix resin-containing
図3は、フィラメントワインディング法により作製した多層FRP層の一部模式断面図である。図3に示すように、基材20表面に形成されている多層FRP層22は、上記説明したフープ巻き、ヘリカル巻き等によって、FRP層が複数層形成されたものである。本実施形態では、図3に示すように、FRP層を6層(24a,24b,24c,24d,24e,24f)形成したものを例として説明する。
FIG. 3 is a partial schematic cross-sectional view of a multilayer FRP layer produced by a filament winding method. As shown in FIG. 3, the
多層FRP層22は、フープ巻き(以下Hoと記す)、ヘリカル巻き(以下Heと記す)単独で形成されたものであっても、フープ巻き、ヘリカル巻きを組み合わせて形成されたものであってもよい。フープ巻き、ヘリカル巻きの組み合わせは、特に制限されるものではないが、例えば、多層FRP層22の内層側、すなわちFRP層24aから、Ho−He−Ho−He−Ho−Heや、Ho−Ho−He−He−Ho−Hoや、He−Ho−Ho−He−Ho−He等が挙げられる。
The
次に、本実施形態に用いられるマトリックス樹脂について説明する。 Next, the matrix resin used in this embodiment will be described.
マトリックス樹脂は、多層FRP層の単層(例えば、図3に示す24a)毎又は複数層(例えば、図3に示す24a〜24c)毎に硬化開始温度の異なるものが用いられる。硬化開始温度の異なるものとして、多層FRP層の単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始温度の差が、異なるものであればよいが、10℃以上であるものが好ましい。例えば、硬化開始温度の異なる3種類のマトリックス樹脂を用いる場合、例えば、マトリックス樹脂Aの硬化開始温度が80℃であれば、マトリックス樹脂Bの硬化開始温度は、90℃以上(又は70℃以下)のものが好ましく、マトリックス樹脂Bの硬化開始温度が、90℃(又は70℃)であれば、マトリックス樹脂Cの硬化開始温度が、100℃以上(又は60℃以下)のものが好ましい。また、上記マトリックス樹脂A,B,C(以下、単にA,B,C)を用いて、図3に示す多層FRP層22を形成する場合、その組み合わせとしては、例えば、多層FRP層22の内層側、すなわちFRP層24aから、A−B−C−A−B−C、A−A−B−B−C−C等が挙げられる。このように、多層FRP層のうち、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。そのため、複雑な層構成を有する多層FRP層を形成することができる。
As the matrix resin, one having a different curing start temperature is used for each single layer (for example, 24a shown in FIG. 3) of the multilayer FRP layer or for each of a plurality of layers (for example, 24a to 24c shown in FIG. 3). As a thing with different hardening start temperature, although the difference of the hardening start temperature of the matrix resin used for every single layer or every several layers of a multilayer FRP layer should just be different, what is 10 degreeC or more is preferable. For example, when three kinds of matrix resins having different curing start temperatures are used, for example, if the curing start temperature of the matrix resin A is 80 ° C., the curing start temperature of the matrix resin B is 90 ° C. or higher (or 70 ° C. or lower). If the curing start temperature of the matrix resin B is 90 ° C. (or 70 ° C.), the curing start temperature of the matrix resin C is preferably 100 ° C. or higher (or 60 ° C. or lower). When the
ここで、繊維体積含有率とは、FRP層の単位体積当たりの繊維が占める体積を表している。また、繊維体積含有率が高いと、FRP層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が少なく、繊維体積含有率が低いと、FRP層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が多くなる。 Here, the fiber volume content represents the volume occupied by the fibers per unit volume of the FRP layer. Further, when the fiber volume content is high, the amount of the matrix resin per unit volume of the FRP layer is small, and when the fiber volume content is low, the amount of the matrix resin per unit volume of the FRP layer is large.
多層FRP層の形成後、多層FRP層を加熱硬化させることによって、FRP部材が得られる。加熱条件は、多層FRP層の厚さ、使用するマトリックス樹脂の種類等によって、適宜設定されるものであり、特に制限されるものではない。 After the formation of the multilayer FRP layer, the FRP member is obtained by heat-curing the multilayer FRP layer. The heating conditions are appropriately set depending on the thickness of the multilayer FRP layer, the type of matrix resin to be used, and the like, and are not particularly limited.
図4は、マトリックス樹脂の硬化開始温度を説明するための図であり、マトリックス樹脂の昇温粘度曲線である。マトリックス樹脂の硬化開始温度とは、図4に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、傾きがゼロから正(プラス)となる温度を言う。 FIG. 4 is a diagram for explaining the curing start temperature of the matrix resin, and is a temperature rising viscosity curve of the matrix resin. The curing start temperature of the matrix resin refers to a temperature at which the slope changes from zero to positive (plus) in the temperature rising viscosity curve of the matrix resin shown in FIG.
また、マトリックス樹脂は、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度が異なり、且つ硬化開始時の粘度も異なることが好ましい。硬化開始時の粘度の異なるものとして、単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始時の粘度の差が、異なるものであればよいが、10Pa・s以上であることが好ましい。例えば、上記のマトリックス樹脂A(硬化開始温度80℃),B(硬化開始温度90℃),C(硬化開始温度100℃)であれば、例えば、マトリックス樹脂Aの硬化開始時の粘度が310Pa・sであれば、マトリックス樹脂Bの硬化開始時の粘度は、400Pa・s以上のものが好ましく、マトリックス樹脂Bの硬化開始時の粘度が、400Pa・sであれば、マトリックス樹脂Cの硬化開始時の粘度が、410Pa・s以上のものが好ましい。
In addition, it is preferable that the matrix resin has a different curing start temperature for each single layer or each of a plurality of layers and also has a different viscosity at the start of curing. As the difference in viscosity at the start of curing, the difference in viscosity at the start of curing of the matrix resin used for each single layer or every plurality of layers may be different, but is preferably 10 Pa · s or more. . For example, if the matrix resin A (curing start temperature 80 ° C.), B (curing start temperature 90 ° C.), and C (curing
また、マトリックス樹脂の硬化開始時の粘度とは、図4に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、上記説明した硬化開始温度時の粘度を言う。このように、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、より効率的に、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができる。 Further, the viscosity at the start of curing of the matrix resin refers to the viscosity at the curing start temperature described above in the temperature rising viscosity curve of the matrix resin shown in FIG. Thus, the matrix resin content and the fiber volume content of each layer of the multilayer FRP layer can be more efficiently controlled by using matrix resins having different curing start temperatures and different viscosity at the start of curing.
図4に示すようなマトリックス樹脂の粘度曲線(又は硬化開始時の粘度)は、粘度測定装置(英弘精機社製、レオストレスRS600)によって、測定することができる。 The viscosity curve (or viscosity at the start of curing) of the matrix resin as shown in FIG. 4 can be measured by a viscosity measuring apparatus (manufactured by Eiko Instruments Co., Ltd., Rheo Stress RS600).
また、多層FRP層のうち、外層に向かうほど(図3に示す矢印Y)硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層FRP層を形成することが好ましい。外層に向かうほど(図3に示す矢印Y)硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層の外層から、すなわち図3に示すFRP層24f内のマトリックス樹脂から硬化させることが可能となる。すなわち、先にマトリックス樹脂が硬化した外層(例えば、FRP層24f)が壁となり、内層(例えば、FRP層24a)のマトリックス樹脂が、FRP層外に染み出すことを抑制することができる。したがって、多層FRP層内の内層側をマトリックス樹脂リッチ(すなわち低い繊維体積含有率)とし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、FRP部材の強度向上、軽量化、品質等の点で有効である。
Moreover, it is preferable to form a multilayer FRP layer using matrix resin with a low hardening start temperature, so that it goes to an outer layer among the multilayer FRP layers (arrow Y shown in FIG. 3). It is possible to cure from the outer layer of the multilayer FRP layer, that is, from the matrix resin in the
また、多層FRP層のうち、外層に向かうほど(図3に示す矢印Y)硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層FRP層を形成することがより好ましい。外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は、外層側に染み出す前に硬化するため、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いるより、多層FRP層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。 Further, it is more preferable to form the multilayer FRP layer using a matrix resin having a higher curing start temperature toward the outer layer (arrow Y shown in FIG. 3) among the multilayer FRP layers. By using a matrix resin having a higher curing start temperature toward the outer layer, the matrix resin on the inner layer side is cured before oozing out to the outer layer side, so that a multilayer resin is used rather than a matrix resin having a lower curing start temperature toward the outer layer. The inner layer side of the FRP layer can be made rich in matrix resin and the outer layer side can be made high fiber volume content.
また、多層FRP層のうち、外層に向かうほど(図3の矢印Y)硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いて多層FRP層を形成することがより好ましい。多層FRP層の外層に向かうほど硬化開始時の粘度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は流れ難く、外層側のマトリックス樹脂は流れ易くなるため、多層FRP層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。 Moreover, it is more preferable to form a multilayer FRP layer using the matrix resin whose viscosity at the time of a hardening start is so low that it goes to an outer layer among the multilayer FRP layers (arrow Y of FIG. 3). By using a matrix resin having a lower viscosity at the start of curing as it goes to the outer layer of the multilayer FRP layer, the matrix resin on the inner layer side hardly flows and the matrix resin on the outer layer side easily flows. The resin can be rich, and the outer layer side can have a high fiber volume content.
本実施形態において、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を多層FRP層の単層毎又は複数層毎に用いるためには、使用するマトリックス樹脂の種類、分子構造、又は添加する硬化剤の種類を変えること等が必要である。 In this embodiment, in order to use a matrix resin having a different curing start temperature for each single layer or multiple layers of the multilayer FRP layer, the type of the matrix resin used, the molecular structure, or the type of the curing agent to be added is changed. Etc. are necessary.
マトリックス樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層FRP層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。 Examples of the matrix resin include, but are not limited to, phenol resin, urea resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, polyimide resin, bismaleimide resin, polyurethane resin, diallyl phthalate resin, and epoxy resin. is not. In the present embodiment, for example, a plurality of matrix resins having different curing start temperatures can be selected from the above resins and the like, and can be used for each single layer or each of the plurality of layers of the multilayer FRP layer.
また、マトリックス樹脂の分子構造としては、例えば、エポキシ樹脂の場合、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層FRP層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。 Examples of the molecular structure of the matrix resin include, in the case of an epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, bisphenol AD type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, phenol novolac type epoxy resin, cresol novolac type epoxy resin, and the like. . In the present embodiment, for example, a plurality of matrix resins having different curing start temperatures can be selected from the above resins and the like, and can be used for each single layer or each of the plurality of layers of the multilayer FRP layer.
また、マトリックス樹脂に加える硬化剤としては、例えば、エチレンジアミン等の脂肪族アミン、ジエチレントリアミン等の脂肪族ポリアミン、メタフェニレンジアミンまたはジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ピペリジンまたはジアザピシクロウンデセン等の第一、第三アミン、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物硬化剤等が挙げられる。本実施形態では、例えば、マトリックス樹脂の硬化開始温度を異ならせることができる硬化剤を複数選択し、多層FRP層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。 Examples of the curing agent added to the matrix resin include aliphatic amines such as ethylenediamine, aliphatic polyamines such as diethylenetriamine, aromatic amines such as metaphenylenediamine or diaminodiphenylsulfone, piperidine, diazapicycloundecene, and the like. Examples thereof include acid anhydride curing agents such as primary and tertiary amines and methyltetrahydrophthalic anhydride. In the present embodiment, for example, a plurality of curing agents that can vary the curing start temperature of the matrix resin can be selected and used for each single layer or each of the multiple layers of the multilayer FRP layer.
本実施形態に用いられる基材としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄等の金属材料、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ABS樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。 Examples of the base material used in this embodiment include metal materials such as stainless steel, aluminum, aluminum alloy, and iron, polyethylene resin, polypropylene resin, polyamide resin, ABS resin, polybutylene terephthalate resin, polyacetal resin, and polycarbonate resin. And other thermoplastic resins.
本実施形態に用いられる繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。また、本実施形態に用いられる繊維の繊維数(フィラメント)は、特に制限されるものではないが1000〜50000フィラメント、好ましくは3000〜30000フィラメントの範囲である。本実施形態に用いられる繊維の繊維数が、1000フィラメントより低いと、繊維中に含まれるマトリックス樹脂の含有量が少なくなる場合があり、50000フィラメントを超えると繊維が太くなり多層FRP層を形成することが困難となる場合がある。特に高強度、高弾性率かつ軽量の点から炭素繊維が好ましい。 Examples of the fiber used in the present embodiment include carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, boron fiber, polyethylene fiber, steel fiber, zylon fiber, and vinylon fiber. The number of fibers (filaments) of the fibers used in the present embodiment is not particularly limited, but is in the range of 1000 to 50000 filaments, preferably 3000 to 30000 filaments. If the number of fibers of the fiber used in the present embodiment is lower than 1000 filaments, the content of the matrix resin contained in the fibers may be reduced. If the number of fibers exceeds 50000 filaments, the fibers are thickened to form a multilayer FRP layer. May be difficult. In particular, carbon fiber is preferable from the viewpoint of high strength, high elastic modulus and light weight.
以上のように、本実施形態に係るFRP部材の製造方法は、多層FRP層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。また、多層FRP層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂又は硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、FRP部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図ることができる。 As described above, the manufacturing method of the FRP member according to the present embodiment uses the matrix resin having a different curing start temperature for each single layer or a plurality of layers of the multilayer FRP layer. The content and the fiber volume content can be arbitrarily controlled. In addition, by using a matrix resin having a lower curing start temperature or a matrix resin having a higher curing start temperature, the inner layer side of the multilayer FRP layer is made rich in the matrix resin and the outer layer side is higher in the fiber. Since it can be set as a volume content rate, the strength improvement, weight reduction, quality improvement, etc. of an FRP member can be aimed at.
上記本実施形態に係るFRP部材の製造方法は、例えば、自動車等の車輌用プロペラシャフト等、車輌、消防、医療、レジャー用等に使用される空気、酸素、液化プロパンガス、液化天然ガス等の圧力容器(ガスボンベ)等の製造方法として使用することができる。 The manufacturing method of the FRP member according to the present embodiment includes, for example, propeller shafts for vehicles such as automobiles, air, oxygen, liquefied propane gas, liquefied natural gas, etc. used for vehicles, fire fighting, medical, leisure, etc. It can be used as a method for producing a pressure vessel (gas cylinder) or the like.
以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to a following example.
車輌用等に使用される圧力容器の製造方法を実施例として、以下説明する。 The manufacturing method of the pressure vessel used for vehicles etc. is demonstrated below as an example.
(実施例1)
<圧力容器の製造に使用する各種材料>
まず、圧力容器を構成する基材、すなわち、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材について説明する。図5は、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材の模式断面図である。基材26は、口金部28と、胴部30と、ボス32とを備える。
(Example 1)
<Various materials used for manufacturing pressure vessels>
First, the base material constituting the pressure vessel, that is, the base material on which the fiber containing the matrix resin is wound using the filament winding method will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a substrate on which fibers containing a matrix resin are wound using a filament winding method. The
胴部30は、ガス不透過性を有するものであればよく、胴部30内の空洞部34にガスが充填される。胴部30は、例えば、上記説明した金属、樹脂等で形成される。
The
口金部28は、空洞部34内へガスを充填し、空洞部34内からガスを取り出すノズルが取り付けられる。また、口金部28、ボス32は、フィラメントワインディング法を用いて基材26にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける際に、基材26を回転させるための軸体として利用される。口金部28、ボス32は、強度の点で、上記説明した金属等で形成される。実施例1では、口金部28、ボス32をアルミ、又はSUSで形成した。
The
次に、実施例1で使用したマトリックス樹脂について説明する。図6は、実施例1で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。昇温粘度曲線は、粘度測定装置(英弘精機社製、レオストレスRS600)により測定した。図6に示すような硬化開始温度の異なる3種類のマトリックス樹脂A1,B1,C1を用いた。マトリックス樹脂A1とは、エポキシ樹脂であり、図6の昇温粘度曲線から硬化開始温度は85℃、硬化開始時の粘度は210Pa・sであった。マトリックス樹脂B1とは、エポキシ樹脂であり、図6の昇温粘度曲線から硬化開始温度は95℃、硬化開始時の粘度は320Pa・sであった。マトリックス樹脂C1とは、エポキシ樹脂であり、図6の昇温粘度曲線から硬化開始温度は150℃、硬化開始時の粘度は420Pa・sであった。 Next, the matrix resin used in Example 1 will be described. FIG. 6 is a diagram showing a temperature rising viscosity curve of the matrix resin used in Example 1. The temperature rising viscosity curve was measured with a viscosity measuring device (manufactured by Eiko Seiki Co., Ltd., Rheo Stress RS600). Three types of matrix resins A1, B1, and C1 having different curing start temperatures as shown in FIG. 6 were used. The matrix resin A1 is an epoxy resin. From the temperature rising viscosity curve of FIG. 6, the curing start temperature was 85 ° C., and the viscosity at the start of curing was 210 Pa · s. The matrix resin B1 is an epoxy resin, and from the temperature rising viscosity curve of FIG. 6, the curing start temperature was 95 ° C., and the viscosity at the start of curing was 320 Pa · s. The matrix resin C1 is an epoxy resin. From the temperature rising viscosity curve of FIG. 6, the curing start temperature was 150 ° C., and the viscosity at the start of curing was 420 Pa · s.
実施例1では、約24000フィラメントの炭素繊維を使用した。 In Example 1, carbon fibers of about 24,000 filaments were used.
<多層FRP層及びFRP部材の形成>
多層FRP層の形成には、図1に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例1では、多層FRP層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層FRP層を形成した。以下具体的に説明する。
<Formation of multilayer FRP layer and FRP member>
A wet filament winding method as shown in FIG. 1 was used to form the multilayer FRP layer. In Example 1, the multilayer FRP layer was formed using a matrix resin having a lower curing start temperature toward the outer layer among the multilayer FRP layers. This will be specifically described below.
図1に示すリール14aから繰り出された繊維16(上記説明した繊維)を、樹脂浴槽10a内のマトリックス樹脂C1に浸漬させた後、ロール18aによって繊維16内の余分なマトリックス樹脂C1を取り除いた。その後、マトリックス樹脂C1を浸漬させた繊維16を、図5に示す基材26にフープ巻きで巻き付け、FRP層を2層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂B1を浸漬させた繊維16を図5に示す基材26にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂A1を浸漬させた繊維16を図5に示す基材26にフープ巻きで順次巻き付け、FRP層をそれぞれ2層ずつ形成した。すなわち、計6層のFRP層を備えた多層FRP層を形成した。
1 was immersed in the matrix resin C1 in the
多層FRP層の形成後、90℃1時間、100℃1時間、110℃1時間、140℃2時間で多層FRP層を加熱硬化させ、FRP部材としての圧力容器を得た。 After the formation of the multilayer FRP layer, the multilayer FRP layer was heated and cured at 90 ° C. for 1 hour, 100 ° C. for 1 hour, 110 ° C. for 1 hour, and 140 ° C. for 2 hours to obtain a pressure vessel as an FRP member.
図7は、圧力容器の模式断面図である。図8は、図7に示す点線枠rにおける圧力容器の拡大模式断面図である。実施例1では、図7及び図8に示すFRP部材1において、多層FRP層35のFRP層36a,36bには、マトリックス樹脂C1、FRP層36c,36dには、マトリックス樹脂B1、FRP層36e,36fには、マトリックス樹脂A1を用いた。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a pressure vessel. FIG. 8 is an enlarged schematic cross-sectional view of the pressure vessel in a dotted frame r shown in FIG. In Example 1, in the FRP member 1 shown in FIGS. 7 and 8, the FRP layers 36a and 36b of the
このように、多層FRP層35のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層FRP層35の外層(例えば、FRP層36e,36f)から硬化させることが可能となり、内層(例えばFRP層36a,36b)のマトリックス樹脂C1をFRP層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例1の圧力容器の多層FRP層は、内層側(例えばFRP層36a,36b)がマトリックス樹脂リッチ(すなわち低い繊維体積含有率)であり、外層側(例えば、FRP層36e,36f)が高い繊維体積含有率であった。
Thus, by using the matrix resin having a lower curing start temperature toward the outer layer among the
(実施例2)
実施例2で使用したマトリックス樹脂について説明する。図9は、実施例2で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。図9に示すように、熱硬化開始温度の異なる3種類のマトリックス樹脂A2,B2,C2を用いた。マトリックス樹脂A2とは、エポキシ樹脂であり、図9の昇温粘度曲線から硬化開始温度は80℃、硬化開始時の粘度は380Pa・sであった。マトリックス樹脂B2とは、エポキシ樹脂であり、図9の昇温粘度曲線から硬化開始温度は90℃、硬化開始時の粘度は320Pa・sであった。マトリックス樹脂C2とは、エポキシ樹脂であり、図9の昇温粘度曲線から硬化開始温度は100℃、硬化開始時の粘度は200Pa・sであった。また、基材、繊維については実施例1と同様のものを使用した。
(Example 2)
The matrix resin used in Example 2 will be described. FIG. 9 is a diagram showing a temperature rising viscosity curve of the matrix resin used in Example 2. As shown in FIG. 9, three types of matrix resins A2, B2, and C2 having different thermosetting start temperatures were used. The matrix resin A2 is an epoxy resin. From the temperature rising viscosity curve of FIG. 9, the curing start temperature was 80 ° C., and the viscosity at the start of curing was 380 Pa · s. The matrix resin B2 is an epoxy resin, and from the temperature rising viscosity curve of FIG. 9, the curing start temperature was 90 ° C., and the viscosity at the start of curing was 320 Pa · s. The matrix resin C2 is an epoxy resin. From the temperature rising viscosity curve of FIG. 9, the curing start temperature was 100 ° C., and the viscosity at the start of curing was 200 Pa · s. Moreover, about the base material and the fiber, those similar to those in Example 1 were used.
<多層FRP層及びFRP部材の形成>
多層FRP層の形成には、図1に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例2では、多層FRP層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層FRP層を形成した。以下具体的に説明する。
<Formation of multilayer FRP layer and FRP member>
A wet filament winding method as shown in FIG. 1 was used to form the multilayer FRP layer. In Example 2, the multilayer FRP layer was formed using a matrix resin having a higher curing start temperature toward the outer layer among the multilayer FRP layers. This will be specifically described below.
リール14aから繰り出された繊維16(上記説明した繊維)を、樹脂浴槽10a内のマトリックス樹脂A2に浸漬させた後、ロール18aによって繊維16内の余分なマトリックス樹脂A2を取り除いた。その後、マトリックス樹脂A2を浸漬させた繊維16を、図5に示す基材26にフープ巻きで巻き付け、FRP層を2層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂B2を浸漬させた繊維16を図5に示す基材26にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂C2を浸漬させた繊維16を図5に示す基材26にフープ巻きで順次巻き付け、FRP層をそれぞれ2層ずつ形成した。すなわち、計6層のFRP層を備えた多層FRP層を形成した。
After the fibers 16 (fibers described above) fed from the
多層FRP層の形成後、85℃1時間、95℃1時間、105℃1時間、135℃2時間で多層FRP層を加熱硬化させ、FRP部材としての圧力容器を得た。 After the formation of the multilayer FRP layer, the multilayer FRP layer was heated and cured at 85 ° C. for 1 hour, 95 ° C. for 1 hour, 105 ° C. for 1 hour, and 135 ° C. for 2 hours to obtain a pressure vessel as an FRP member.
実施例2では、図7及び図8に示すFRP部材1において、多層FRP層35のFRP層36a,36bには、マトリックス樹脂A2、FRP層36c,36dには、マトリックス樹脂B2、FRP層36e,36fには、マトリックス樹脂C2を用いた。
In Example 2, in the FRP member 1 shown in FIGS. 7 and 8, the FRP layers 36a and 36b of the
このように、多層FRP層35のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、外層から硬化し内層側の樹脂の染み出しをおさえたため、内層(例えばFRP層36a,36b)のマトリックス樹脂C1をFRP層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例2の圧力容器の多層FRP層は、内層側(例えばFRP層36a,36b)がマトリックス樹脂リッチであり、外層側(例えば、FRP層36e,36f)が高い繊維体積含有率であった。
Thus, by using a matrix resin having a higher curing start temperature toward the outer layer in the
このように、多層FRP層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高い又は低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。特に、多層FRP層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。 Thus, by using a matrix resin having a higher or lower curing start temperature toward the outer layer among the multilayer FRP layers, the inner layer side could be made rich in the matrix resin and the outer layer side could be made to have a high fiber volume content. . In particular, among the multilayer FRP layers, by using a matrix resin having a lower curing start temperature toward the outer layer, the inner layer side could be made rich in the matrix resin, and the outer layer side could have a higher fiber volume content.
1 FRP部材、10a,10b,10c 樹脂浴槽、12a,12b,12c マトリックス樹脂、14a,14b,14c リール、16 繊維、18a,18b,18c ロール、20,26 基材、22,35 多層FRP層、24a〜24f,36a〜36f FRP層、28 口金部、30 胴部、32 ボス、34 空洞部。 1 FRP member, 10a, 10b, 10c resin bathtub, 12a, 12b, 12c matrix resin, 14a, 14b, 14c reel, 16 fibers, 18a, 18b, 18c roll, 20, 26 base material, 22, 35 multilayer FRP layer, 24a-24f, 36a-36f FRP layer, 28 base part, 30 trunk part, 32 boss, 34 cavity part.
Claims (5)
前記多層FRP層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いること特徴とするFRP部材の製造方法。 A method of manufacturing an FRP member, in which a fiber including a matrix resin is wound around a substrate using a filament winding method to form a multilayer FRP layer, and the multilayer FRP layer is heated and cured to manufacture an FRP member,
A method for manufacturing an FRP member, wherein a matrix resin having a different curing start temperature is used for each single layer or for each of a plurality of layers of the multilayer FRP layer.
前記多層FRP層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いることを特徴とするFRP部材の製造方法。 A method of manufacturing an FRP member, in which a fiber including a matrix resin is wound around a substrate using a filament winding method to form a multilayer FRP layer, and the multilayer FRP layer is heated and cured to manufacture an FRP member,
A method for producing an FRP member, wherein a matrix resin having a different curing start temperature and different viscosity at the start of curing is used for each single layer or each of the plurality of layers of the multilayer FRP layer.
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