JP2008179808A - Method for producing resin prepreg, fiber sheet for resin prepreg, resin prepreg, and composite material comprising the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a resin prepreg in which an industrial-quality thermoplastic resin prepreg can be produced in a simple production apparatus and in a short production time, the thermoplastic resin prepreg being excellent in the resin impregnation state, the homogeneity of reinforced fiber orientation, and the adhesion state between resin and reinforcing fiber. <P>SOLUTION: A carbon fiber sheet 1 is subjected to sewing by a heat-resistant thread 2 with a predetermined seam length, sewing length, and sewing interval in the direction perpendicular to the fiber direction. Then, the sewn carbon fiber sheet is immersed in acetone to remove a sizing agent and a coupling agent on the surface of the fiber bundle to obtain a continuous reinforced fiber sheet 10. Optionally, a coupling agent to improve the adhesion between fiber and resin is added to the fiber surface. Then, the continuous reinforced fiber sheet 10 and a polycarbonate sheet 4 are laminated, heated and pressurized, thereby pressure-impregnating the polycarbonate resin between the fibers to obtain a polycarbonate-carbon fiber prepreg. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、樹脂プリプレグの製造方法、樹脂プリプレグ用繊維シート、樹脂プリプレグ及びその複合材料に関するものである。さらに詳しくは、簡易な製造設備で且つ短い製造時間で、樹脂の含浸状態、強化繊維配向の均一性および樹脂と強化繊維の接着状態において優れた工業的品質を備えた熱可塑性樹脂プリプレグを製造することができ、そしてドライの強化繊維シートを複数枚積層してからRTM(=Resin Transfer Molding)によって熱硬化性樹脂を含浸する際の開繊したドライの強化繊維シートのハンドリング性の確保および樹脂含浸性の向上を達成することが出来る熱硬化性樹脂プリプレグの製造方法、樹脂プリプレグ用繊維シート、樹脂プリプレグ及びその複合材料に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a resin prepreg, a fiber sheet for resin prepreg, a resin prepreg, and a composite material thereof. More specifically, a thermoplastic resin prepreg having excellent industrial quality in the impregnation state of the resin, the uniformity of the reinforcing fiber orientation and the adhesive state of the resin and the reinforcing fiber is manufactured with a simple manufacturing facility and in a short manufacturing time. It is possible to secure the handling of the opened dry reinforcing fiber sheet and impregnate the resin when laminating a plurality of dry reinforcing fiber sheets and then impregnating the thermosetting resin by RTM (= Resin Transfer Molding) The present invention relates to a method for producing a thermosetting resin prepreg capable of achieving improvement in property, a fiber sheet for resin prepreg, a resin prepreg, and a composite material thereof.

熱可塑性樹脂であるエンジニアリングプラスチックはリサイクル性に富み、寸法精度も高く、また、高い耐衝撃性を有するなど優れた材料特性を持ちながら安価であり、その用途は自動車、電機、光学機器、IT関連など多岐に渡る。熱可塑性樹脂は、その名前の通り、加熱することで樹脂を溶融してその形状を容易に変形させることが出来るため、成形物は加熱・圧延による製造方法が一般的である。一方、熱可塑性樹脂単体ではその剛性は金属・非金属材料と比較して低く、強化繊維と複合化することで構造材として利用可能なレベルに剛性を向上させることが出来る。このような熱可塑性樹脂複合材料は、例えば航空機で利用されるエポキシ樹脂複合材料と比較して、同じ強化繊維が共に用いられているならば、同等の強度・剛性を有しながらより優れたリサイクル性を有する複合材料となる。しかしながら、熱可塑性樹脂はその高分子構造により加熱溶融しても粘度が高く、例えばポリカーボネートやアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(以下、「ABS」という。)などは粘度の高さに相関して耐衝撃性が高くなる。このため、熱可塑性樹脂を連続強化繊維へ含浸させる熱可塑性樹脂複合材料の製造を、簡易な設備で行うことは、エポキシ等の極めて粘度の低い樹脂を利用する場合と比較して、成形物の工業的品質を確保することが困難な点で容易ではない。このため、ガラス繊維や炭素繊維をチョップして熱可塑性と混ぜて製造される短繊維強化タイプや長繊維強化タイプの複合材料の流通が現在のところ一般的である。   Engineering plastics, which are thermoplastic resins, are highly recyclable, have high dimensional accuracy, and have excellent material properties such as high impact resistance, and are inexpensive, and their applications are automobiles, electrical equipment, optical equipment, IT-related And so on. As the name suggests, a thermoplastic resin can be melted by heating and the shape thereof can be easily deformed. Therefore, a molded product is generally manufactured by heating and rolling. On the other hand, the rigidity of a thermoplastic resin alone is lower than that of a metal / non-metallic material, and the rigidity can be improved to a level that can be used as a structural material by combining with a reinforcing fiber. Such a thermoplastic resin composite material, for example, compared to an epoxy resin composite material used in aircraft, if the same reinforcing fiber is used together, it has better strength and rigidity, but better recycling It becomes the composite material which has property. However, the thermoplastic resin has a high viscosity even when heated and melted due to its polymer structure. For example, polycarbonate and acrylonitrile butadiene styrene resin (hereinafter referred to as “ABS”) have high impact resistance in correlation with the high viscosity. Get higher. For this reason, the production of a thermoplastic resin composite material in which a continuous reinforcing fiber is impregnated with a thermoplastic resin is carried out with simple equipment, compared with the case of using a resin having an extremely low viscosity such as epoxy. It is not easy because it is difficult to ensure industrial quality. For this reason, the distribution of short fiber reinforced type and long fiber reinforced type composite materials produced by chopping glass fibers and carbon fibers and mixing them with thermoplastic is currently common.

しかしながら、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造方法については、既に様々な製造技術が開発され、多数の特許が成立している。熱可塑性樹脂と連続強化繊維により製造される複合材料構造物は、中間素材である熱可塑性樹脂プリプレグを利用して製造されることが一般的である。この理由として、複合材料を適用する構造物の剛性要求に対して、プリプレグの積層物を製造することで剛性要求を満たすことが可能であり、すなわちプリプレグによる複合材料は材料設計が可能であることが挙げられる。熱可塑性樹脂プリプレグは一般的に連続強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させて一方向に引き揃えてシート状に製造される。このプリプレグを複数枚、その繊維方向を変化させて積層し、加熱して樹脂を溶融させた後に加圧して複合材料が製造される。   However, with respect to the method for producing a continuous fiber reinforced thermoplastic resin composite material, various production techniques have already been developed and numerous patents have been established. In general, a composite material structure manufactured using a thermoplastic resin and continuous reinforcing fibers is manufactured using a thermoplastic resin prepreg as an intermediate material. The reason for this is that it is possible to meet the rigidity requirement by manufacturing a prepreg laminate for the rigidity requirement of the structure to which the composite material is applied, that is, the composite material by prepreg can be designed. Is mentioned. A thermoplastic resin prepreg is generally produced in a sheet form by impregnating a continuous reinforcing fiber with a thermoplastic resin and aligning them in one direction. A plurality of the prepregs are stacked while changing the fiber direction, heated to melt the resin, and then pressurized to produce a composite material.

熱可塑性樹脂複合材料に係る既存の特許については、熱可塑性樹脂プリプレグの製造に関するものや、これらのプリプレグを用いる熱可塑性樹脂複合材料構造物の製造方法などがある。一般的な熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法は、一方向に引き揃えた連続繊維シートに樹脂シートを積層し、繊維束の並び(配向)が乱れないように繊維シートに張力をかけながら樹脂の溶融温度以上に加熱して樹脂を溶融させ、加圧して繊維シートに樹脂を含浸させるものである。ここで、熱可塑性樹脂プリプレグの工業的品質の優劣は製造方法の違いにより決定される。プリプレグ製造に係る工業的品質の評価は、具体的には、樹脂の含浸状態(空隙の有無)、強化繊維配向の均一性、樹脂と強化繊維の接着状態の評価で行われる。   As for existing patents relating to thermoplastic resin composite materials, there are those relating to the production of thermoplastic resin prepregs and methods for producing thermoplastic resin composite material structures using these prepregs. A general thermoplastic resin prepreg is manufactured by laminating a resin sheet on a continuous fiber sheet that is aligned in one direction, and melting the resin while applying tension to the fiber sheet so that the alignment (orientation) of the fiber bundle is not disturbed. The resin is melted by heating to a temperature higher than that, and the fiber sheet is impregnated with resin by pressurization. Here, the superiority or inferiority of the industrial quality of the thermoplastic resin prepreg is determined by the difference in the production method. Specifically, the industrial quality of the prepreg production is evaluated by evaluating the impregnation state of the resin (the presence or absence of voids), the uniformity of the reinforcing fiber orientation, and the adhesion state of the resin and the reinforcing fiber.

後述する本発明の実施例の熱可塑性樹脂プリプレグに使用されているポリカーボネートなどは、樹脂粘度と樹脂の機械的特性が相関している。例えばポリカーボネートの特徴でもある耐衝撃性の高さは粘度の高さに比例する。このような樹脂はメーカーが推奨する成形温度に加熱しても粘度が高く、例えばエポキシ樹脂等と比較してポリカーボネートの繊維束への含浸は極めて難しいものになる。このため、機械的特性に優れる反面、粘度の高い熱可塑性樹脂によりプリプレグを製造する場合、プリプレグの工業的品質は様々な特許に係る製造方法によって確立されている。   In the polycarbonate and the like used for the thermoplastic resin prepreg of the examples of the present invention described later, the resin viscosity and the mechanical properties of the resin are correlated. For example, the high impact resistance, which is also a characteristic of polycarbonate, is proportional to the high viscosity. Such a resin has a high viscosity even when heated to a molding temperature recommended by the manufacturer. For example, impregnation of a fiber bundle of polycarbonate is extremely difficult as compared with an epoxy resin or the like. For this reason, while it is excellent in mechanical characteristics, when manufacturing a prepreg with a thermoplastic resin with high viscosity, the industrial quality of the prepreg is established by the manufacturing method concerning various patents.

熱可塑性樹脂プリプレグの製造に係る従来技術については、例えば、張力をかけながら繊維を引き揃えて樹脂をテープ上の強化繊維に含浸させる方法(例えば、特許文献1を参照。)、金属板に補強繊維と熱可塑性樹脂を巻き付けて熱プレスする方法(例えば、特許文献2を参照。)、樹脂を粉末にして繊維に含浸させる方法(例えば、特許文献3を参照。)、開繊した強化繊維シートに熱可塑性樹脂繊維で製造した熱可塑性樹脂不織布を重ねて加熱しつつ加圧する方法(例えば、特許文献4を参照。)、強化繊維と、熱可塑性樹脂からなるマトリクス繊維とを開繊しながら混合し、これをシート状に広げ、加熱融着してプリプレグを製造する方法(例えば、特許文献5を参照。)、並びに、強化繊維を一方向に引き揃えてシート状にし、この強化繊維シートを熱可塑性樹脂が含まれる処理浴に導入して樹脂を付着させる方法(例えば、特許文献6を参照。)などがある。   As for the related art relating to the production of a thermoplastic resin prepreg, for example, a method of aligning fibers while applying tension and impregnating the resin with reinforcing fibers on the tape (see, for example, Patent Document 1), reinforcing a metal plate. A method in which fibers and a thermoplastic resin are wound and hot-pressed (for example, see Patent Document 2), a method in which a resin is powdered and impregnated into the fiber (for example, see Patent Document 3), a fiber-reinforced reinforcing fiber sheet A method in which a thermoplastic resin nonwoven fabric made of thermoplastic resin fibers is stacked and heated while being heated (see, for example, Patent Document 4), and reinforcing fibers and matrix fibers made of thermoplastic resin are mixed while being opened. Then, this is spread into a sheet and heated and fused to produce a prepreg (see, for example, Patent Document 5), and the reinforcing fibers are aligned in one direction to form a sheet. Method of the reinforcing fiber sheet is attached to and introduced into the processing bath containing the thermoplastic resin resin (e.g., see Patent Document 6.), And the like.

一般的な熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法として、熱可塑性樹脂を加熱溶融し、加圧して連続繊維に含侵させる場合、樹脂の粘度が高いと製造時のライン速度を遅くして十分な樹脂含浸時間を確保する必要があり、さらに、極めて樹脂粘度が高い場合には含浸不良を起こし、プリプレグに空隙が多く含まれる事になる。ライン速度を短縮するために加圧圧力の大きさを一気に上昇させて樹脂含浸速度を上昇させようとすると、整列した連続繊維の一部の間隔が広がってしまい、その結果プリプレグの品質を低下させる。また、この製造方法では、加圧含浸時に連続繊維を整列させた状態に保つために繊維束に高い張力をかける必要があり、特に炭素繊維などの高剛性繊維では切断が起きやすい。さらには高張力を与えながら樹脂を含浸させるために、プリプレグ製造時の設備の高コスト化を招く。一方、溶融時の樹脂の粘度が低いと高速で含浸が可能となるが、樹脂流動性に富む樹脂は分子量が低く、樹脂単体の機械的特性が低下する。このため、低粘度熱可塑性樹脂複合材は、高粘度樹脂の場合と比較して、材料の機械的特性が低下することになる。また、粉末状の熱可塑性樹脂を強化繊維シートに付着させて含浸させる方法では、熱可塑性樹脂を均質な粉末状にして製造する事が難しく、基材の高コスト化を招き、また、粉末状の樹脂の付着量を調整することも困難である。熱可塑性樹脂を繊維状にする必要がある製造方法についても同様にコストの面で高くなる。熱可塑性樹脂を溶液化し、強化繊維材料に含浸させる方法は、使用できる樹脂や溶媒の種類が制限されるという問題点があり、さらに、強化繊維シートに張力をかけた状態で熱可塑性樹脂が含まれる溶液の処理浴に浸すことにより樹脂含浸が成される製造ラインが必要となり、同様に設備の高コスト化は避けられない。   As a general thermoplastic resin prepreg manufacturing method, when thermoplastic resin is heated and melted and pressurized and impregnated into continuous fibers, if the viscosity of the resin is high, the line speed during production is slowed down and sufficient resin impregnation It is necessary to secure time, and when the resin viscosity is extremely high, impregnation failure occurs, and the prepreg contains many voids. In order to shorten the line speed, if the pressure pressure is increased at a stretch to increase the resin impregnation speed, the interval between some of the aligned continuous fibers increases, resulting in a decrease in the quality of the prepreg. . Further, in this manufacturing method, it is necessary to apply high tension to the fiber bundle in order to keep the continuous fibers aligned during pressure impregnation, and cutting is particularly likely to occur in high-rigid fibers such as carbon fibers. Furthermore, since the resin is impregnated while applying a high tension, the cost of equipment during prepreg production is increased. On the other hand, if the viscosity of the resin at the time of melting is low, impregnation is possible at a high speed, but a resin rich in resin fluidity has a low molecular weight, and the mechanical properties of the resin itself are lowered. For this reason, the low-viscosity thermoplastic resin composite material has lower mechanical properties than the high-viscosity resin. In addition, the method of impregnating the powdered thermoplastic resin by adhering it to the reinforcing fiber sheet makes it difficult to produce the thermoplastic resin in a homogeneous powder form, resulting in an increase in the cost of the base material. It is also difficult to adjust the adhesion amount of the resin. The manufacturing method that requires the thermoplastic resin to be fibrous is similarly expensive in terms of cost. The method of making a thermoplastic resin into a solution and impregnating the reinforcing fiber material has a problem that the types of resins and solvents that can be used are limited, and further includes a thermoplastic resin in a state where tension is applied to the reinforcing fiber sheet. Therefore, a production line in which resin impregnation is performed by immersing in a treatment bath of the solution to be used is necessary, and similarly, the cost of the equipment is unavoidable.

ガラス繊維や炭素繊維などの連続強化繊維シートでは、単繊維の収束とハンドリング性を向上させる目的ならびに輸送時における繊維シートの配向を維持する目的で、製造工程において繊維基材に対してサイジング処理が施されている。また、複合材料の基材である樹脂と強化繊維の接着性の向上には接着界面の制御が重要である。この界面の制御とは、樹脂と強化繊維の接着面の化学結合の形成、繊維表面に対する樹脂のぬれ性の向上、繊維表面と樹脂との相溶化の改良などを指す。これらの界面の制御はカップリング剤により行われることから、一般的な連続強化繊維シートにはサイジング剤とカップリング剤による化学的処理が施されている。(カップリング剤:複合材料の充填剤と樹脂との双方に反応または相互作用することによって、機械的強度の向上などの効果をもたらす化学物質)   In continuous reinforcing fiber sheets such as glass fiber and carbon fiber, sizing treatment is applied to the fiber substrate in the manufacturing process for the purpose of improving the convergence and handling of single fibers and maintaining the orientation of the fiber sheet during transportation. It has been subjected. Control of the adhesion interface is important for improving the adhesion between the resin that is the base material of the composite material and the reinforcing fibers. Control of this interface refers to the formation of a chemical bond between the adhesive surface of the resin and the reinforcing fiber, improvement of the wettability of the resin to the fiber surface, improvement of the compatibility between the fiber surface and the resin, and the like. Since the control of these interfaces is performed by a coupling agent, a general continuous reinforcing fiber sheet is chemically treated with a sizing agent and a coupling agent. (Coupling agent: A chemical substance that has the effect of improving mechanical strength by reacting or interacting with both the filler of the composite material and the resin)

一方、市販される強化繊維シートの繊維表面処理については、その詳細は公表されておらず、カップリング剤がもたらす熱可塑性樹脂と強化繊維の界面制御効果は利用者には未知なところが多い。一般的であるエポキシ樹脂用のカップリング剤が添加された強化繊維と熱可塑性樹脂では、場合によっては接着性が悪化する場合がある。また、サイジング剤除去により繊維が開繊された繊維シートは、そのハンドリング性が極端に悪化する。一方、熱可塑性樹脂と強化繊維の接着性を向上させるためには、樹脂含浸の際に、樹脂と繊維の接着面積をできるだけ増やし、粘度の高い樹脂を繊維束内へ送り込んでそれぞれのフィラメントの周りに樹脂を送り込む事が肝要である。このため、強化繊維シートの繊維束群を開繊させて樹脂含浸を行う事が有効ではあるが、樹脂粘度が高い場合には、整列した連続繊維の一部の間隔が広がってしまい、逆にプリプレグの品質を低下させる。未開繊の場合は含浸の効率は悪くなり、その結果、含浸不良が発生し機械的物性の低下を引き起こす。   On the other hand, details of the fiber surface treatment of the commercially available reinforcing fiber sheet have not been disclosed, and the interface control effect between the thermoplastic resin and the reinforcing fiber brought about by the coupling agent is unknown to many users. In the case of a reinforced fiber and a thermoplastic resin to which a general coupling agent for epoxy resin is added, the adhesiveness may deteriorate in some cases. Moreover, the handling property of the fiber sheet from which the fiber has been opened by removing the sizing agent is extremely deteriorated. On the other hand, in order to improve the adhesion between the thermoplastic resin and the reinforcing fiber, the resin / fiber bonding area is increased as much as possible during the resin impregnation, and a high-viscosity resin is fed into the fiber bundle to surround each filament. It is important to feed resin into the tank. For this reason, it is effective to perform fiber impregnation by opening the fiber bundle group of the reinforcing fiber sheet. However, when the resin viscosity is high, the interval between some of the aligned continuous fibers is widened. Reduce the quality of the prepreg. In the case of unopened fibers, the efficiency of impregnation is deteriorated. As a result, impregnation failure occurs and mechanical properties are deteriorated.

以上の理由から、高い機械特性を持つた熱可塑性樹脂複合材の製造には、開繊された連続強繊維シートに粘度の高い樹脂を繊維の配向を乱す事無く確実に、且つ迅速に含浸させて熱可塑性樹脂プリプレグを製造する方法の適用が有効であると考える。強化繊維束を開繊して熱可塑性樹脂を含浸させる方法については、集束された繊維束を機械的衝撃によって開繊させた後に溶融熱可塑性樹脂を含浸させる方法(例えば、特許文献8を参照。)並びに、シート状に流送される維束群を、進退摩擦して開繊した後、開繊繊維シートに熱可塑性樹脂シートを帯熱溶融状態で会合させて含浸させる方法(例えば、特許文献9を参照。)が知られている。しかしながら、いずれの方法においても、開繊後の強化繊維シートのハンドリング性の極端な悪化と樹脂含浸時の繊維配向の均一性の維持に対する解決法として、連続繊維シートに過大な張力をかける必要があり、設備の複雑化および高コスト化を招く。   For the above reasons, in the production of thermoplastic resin composites with high mechanical properties, a high-viscosity resin is impregnated reliably and quickly without disturbing the fiber orientation in the opened continuous strong fiber sheet. Therefore, it is considered effective to apply a method for producing a thermoplastic resin prepreg. For a method of opening the reinforcing fiber bundle and impregnating the thermoplastic resin with the thermoplastic fiber bundle, a method of opening the bundled fiber bundle by mechanical impact and then impregnating the molten thermoplastic resin (see, for example, Patent Document 8). ), And a method of impregnating the spread fiber sheet by assembling and impregnating a thermoplastic resin sheet in a hot melt state after opening and closing the bundle group that is fed into a sheet shape (for example, patent document) 9) is known. However, in any of the methods, it is necessary to apply excessive tension to the continuous fiber sheet as a solution to the extreme deterioration of the handleability of the reinforcing fiber sheet after opening and the maintenance of the uniformity of fiber orientation during resin impregnation. In addition, the equipment becomes complicated and expensive.

先に述べたように、熱可塑性樹脂プリプレグの工業的品質は、樹脂の含浸状態(空隙の有無)、強化繊維配向の均一性、樹脂と強化繊維の接着状態などを検査することで評価される。また、材料のコストを下げるためには、現在、一般に流通している熱可塑性樹脂プリプレグに利用できる低コストである基材、例えば樹脂シートや一般的な連続強化繊維シートなどを利用して、簡単な設備で製造することが不可欠である。このため、工業的品質が良好で且つ広巾の熱可塑性樹脂プリプレグを短い製造時間で、設備や基材のコストをかけずに製造する方法が提供できるならば、このプリプレグを利用する複合材料をコストパフォーマンスに優れた材料として、自動車、建築、航空機分野等での大幅な利用が期待できる。   As described above, the industrial quality of a thermoplastic resin prepreg is evaluated by examining the impregnation state of the resin (the presence or absence of voids), the uniformity of the reinforcing fiber orientation, the adhesive state of the resin and the reinforcing fiber, and the like. . In addition, in order to reduce the cost of materials, it is easy to use low-cost base materials that can be used for currently available thermoplastic resin prepregs, such as resin sheets and general continuous reinforcing fiber sheets. It is indispensable to manufacture with the equipment. Therefore, if it is possible to provide a method for producing a wide range of thermoplastic resin prepregs with good industrial quality in a short production time and without the cost of facilities and base materials, a composite material using this prepreg can be manufactured at a low cost. As a material with excellent performance, it can be expected to be used in the fields of automobiles, architecture, aircraft, etc.

ところで、複合材構造物で一般的であるエポキシ等の熱硬化性樹脂と炭素繊維等による積層型複合材構造物について、最近の研究成果として、積層構造の各層を薄くすると強度が上昇する事が実験結果から明らかとなり、層を薄くした積層型複合材の開発がなされている。一層の厚さを薄くする方法としては、プリプレグを薄く作るために、強化繊維の繊維束を開繊して繊維と直角方向に薄く広げられた(単位面積当たりの繊維量を減らした)強化繊維シートが使われることが一般的である。
近年、低コスト複合材構造物成形法として研究開発が盛んであるRTM(樹脂含浸成形法)では、積層型複合材構造物は、樹脂を全く含浸させていないドライの強化繊維シートを複数枚積層してから熱硬化性樹脂を含浸させ、その後加熱し樹脂を硬化させる方法により製造される。このような製造法の場合、積層型複合材の一層の厚さを薄くするには、ドライの強化繊維シートを薄くするために開繊処理が施されるものと考えられる。しかしながら、開繊された繊維シートはハンドリング性が極めて悪化し、また輸送には適さない。また、開繊する事で一層の厚さを薄くしたドライの繊維シートを積層して複合材構造物を製造しようとすると、複合材の厚みを確保するためには積層数を増やす必要がある。一方、積層型複合材では一般に繊維方向を変化させて強化繊維シートを積層するが、この層ごとの繊維配向角の違いは樹脂の含浸を妨げる事が知られている。このため、一層の厚さを薄くした積層型複合材構造物をRTMにより製造するには、開繊した強化繊維シートのハンドリング性の確保および樹脂含浸性の向上が問題となる。
By the way, as a result of recent research on laminated composite structures made of thermosetting resins such as epoxy and carbon fibers, which are common in composite structures, the strength increases as each layer of the laminated structure is thinned. From the experimental results, it is clear that a laminated composite material with a thin layer has been developed. As a method of reducing the thickness of one layer, in order to make a prepreg thin, a reinforcing fiber bundle was opened and thinned in a direction perpendicular to the fiber (reducing the amount of fibers per unit area). It is common for sheets to be used.
In recent years, RTM (resin-impregnated molding method) has been actively researched and developed as a low-cost composite structure molding method, and the laminated composite structure is composed of a plurality of dry reinforcing fiber sheets that are not impregnated with resin at all. Then, it is manufactured by a method in which a thermosetting resin is impregnated and then heated to cure the resin. In the case of such a manufacturing method, in order to reduce the thickness of the laminated composite material, it is considered that a fiber opening process is performed to make the dry reinforcing fiber sheet thinner. However, the opened fiber sheet has extremely poor handling properties and is not suitable for transportation. Further, when a composite material structure is manufactured by laminating dry fiber sheets whose thickness is reduced by opening the fiber, it is necessary to increase the number of layers in order to secure the thickness of the composite material. On the other hand, in laminated composite materials, reinforcing fiber sheets are generally laminated while changing the fiber direction, and it is known that the difference in fiber orientation angle for each layer prevents impregnation of resin. For this reason, in order to manufacture a laminated composite structure having a reduced thickness by RTM, securing the handling property of the opened reinforcing fiber sheet and improving the resin impregnation property become problems.

特開昭63−027208号公報Japanese Patent Laid-Open No. 63-027208 特開平07−308991号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-308991 特開平17−239843号公報Japanese Patent Laid-Open No. 17-239843 特開平15−165851号公報Japanese Patent Laid-Open No. 15-165851 特開平06−322159号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-322159 特開平17−255927号公報JP-A-17-255927 特開平06−116851号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-116851 特開平17−029912号公報Japanese Patent Laid-Open No. 17-029912

前述した通り、樹脂の含浸状態、強化繊維配向の均一性および樹脂と強化繊維の接着状態において優れた工業的品質を備えた熱可塑性樹脂プリプレグを得るためには、従来の熱可塑性樹脂プリプレグの製造技術では、熱可塑性樹脂を予め粉末状や繊維状等の特殊な形態に加工する工程、強化繊維に高張力を与える設備、強化繊維を開繊してから高張力を与えながら樹脂を含浸させる設備、もしくは熱可塑性樹脂の溶液バスに繊維シートを浸すための複雑な設備等が必要となり、その結果コストの面で高額化を招くという問題がある。また、製造時間の面でも、上記従来の熱可塑性樹脂プリプレグの製造技術では、十分な樹脂含浸時間を確保する必要がある。
他方、薄いドライの強化繊維シートを複数枚積層してからRTMによって熱硬化性樹脂を含浸させ、次いで加熱することで熱硬化性樹脂を硬化させて熱硬化性樹脂プリプレグを得るためには、開繊したドライの強化繊維シートのハンドリング性の確保および樹脂含浸性の向上が問題となっている。
そこで、本発明の目的は、上記実情に鑑み創案されたものであって、簡易な製造設備で、且つ従来より短い製造時間で、樹脂の含浸状態、強化繊維配向の均一性および樹脂と強化繊維の接着状態において優れた工業的品質を備えた熱可塑性樹脂プリプレグを製造することができ、ドライの強化繊維シートを複数枚積層してからRTMによって熱硬化性樹脂を含浸する際の開繊したドライの強化繊維シートのハンドリング性の確保および樹脂含浸性の向上を達成することが出来る熱硬化性樹脂プリプレグの製造方法、樹脂プリプレグ用繊維シート、樹脂プリプレグ及びその複合材料を提供する事である。
As described above, in order to obtain a thermoplastic resin prepreg having excellent industrial quality in the resin impregnation state, the uniformity of the reinforcing fiber orientation and the adhesion state between the resin and the reinforcing fiber, the production of the conventional thermoplastic resin prepreg In technology, the process of processing a thermoplastic resin into a special form such as powder or fiber in advance, equipment that applies high tension to the reinforcing fiber, equipment that impregnates the resin while applying high tension after opening the reinforcing fiber Alternatively, complicated equipment for immersing the fiber sheet in the solution bath of the thermoplastic resin is required, and as a result, there is a problem that the cost is increased. In terms of production time, the conventional thermoplastic resin prepreg production technique requires a sufficient resin impregnation time.
On the other hand, in order to obtain a thermosetting resin prepreg by laminating a plurality of thin dry reinforcing fiber sheets, impregnating the thermosetting resin with RTM, and then curing the thermosetting resin by heating. Ensuring the handleability of the fine dry reinforcing fiber sheet and improving the resin impregnation are problems.
Accordingly, the object of the present invention has been devised in view of the above circumstances, and with a simple manufacturing facility and in a shorter manufacturing time than conventional ones, the impregnation state of the resin, the uniformity of the reinforcing fiber orientation, and the resin and the reinforcing fiber Can produce a thermoplastic resin prepreg with excellent industrial quality in the adhesive state of the above, and after the lamination of a plurality of dry reinforcing fiber sheets, the dry opened fiber when impregnated with a thermosetting resin by RTM It is providing the manufacturing method of the thermosetting resin prepreg which can achieve the ensuring of the handleability of this reinforced fiber sheet, and the improvement of resin impregnation, the fiber sheet for resin prepregs, the resin prepreg, and its composite material.

本発明の一つは、一般に流通している繊維シートに対して、後述する縫合処理および開繊処理を施した後に、やはり一般に流通している熱可塑性樹脂シート(フィルム)を重ねてから、加熱・加圧する事でその樹脂シートを含浸させて熱可塑性樹脂プリプレグを製造するものである。   In one aspect of the present invention, a generally circulated thermoplastic resin sheet (film) is superposed on the fiber sheet that is generally distributed, after the stitching process and the fiber opening process described below are performed, and then heated. -A thermoplastic resin prepreg is manufactured by impregnating the resin sheet by pressurization.

上記熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法に使用される繊維シートは、特定のサイジング剤、カップリング剤による繊維表面処理が施されているものではなく、例えば一般的な連続強化繊維シートであるエポキシ樹脂用の化学的処理が施されたものでも構わない。繊維自体も、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維等を一方向に引き揃えてシート状にされたものを使用する。繊維が引き揃えられた方向に直交する方向を幅方向とすると、この幅方向の長さは本発明の製造方法に本質的に起因する理由で特に制限が有るわけで無く、プリプレグ製造に使うホットプレス等の熱盤サイズ以下ならば任意の長さで構わない。   The fiber sheet used in the method for producing the thermoplastic resin prepreg is not subjected to fiber surface treatment with a specific sizing agent or coupling agent. For example, for an epoxy resin which is a general continuous reinforcing fiber sheet Those subjected to the above chemical treatment may be used. As the fiber itself, a sheet formed by aligning carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, aramid fiber and the like in one direction is used. Assuming that the direction perpendicular to the direction in which the fibers are aligned is the width direction, the length in the width direction is not particularly limited because it is essentially attributable to the production method of the present invention, and the hot used for prepreg production. Any length may be used as long as it is smaller than the size of a hot plate such as a press.

先ず繊維シートに縫合処理を施す。この縫合処理を施すために使用する装置は、例えば工業用ミシンを使用する。この縫合処理に使用する縫い糸は特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂を溶融させて繊維間に含浸させる加熱・加圧工程においてその樹脂の溶融温度以上の耐熱性を有する耐熱糸を使用することが望ましい。また、この耐熱糸(縫合糸)は加熱・加圧による樹脂含浸時に繊維の配向を維持する役割を担う事から、高強度繊維から成る事が望ましい。また、縫合処理が施された連続強化繊維シートには縫合糸が通る場所に隙間が生じることから、材料強度的には縫合糸の径は細いものである事が望ましい。縫合処理の際の縫い方、縫い目長さおよび縫い目間隔については特に規定されるものではない。   First, a stitching process is performed on the fiber sheet. For example, an industrial sewing machine is used as an apparatus used for performing the suturing process. The sewing thread used for the stitching process is not particularly limited, but a heat-resistant thread having a heat resistance equal to or higher than the melting temperature of the resin is used in a heating / pressurizing process in which a thermoplastic resin is melted and impregnated between fibers. It is desirable to do. The heat-resistant yarn (suture) is preferably made of high-strength fiber because it plays the role of maintaining the fiber orientation during resin impregnation by heating and pressing. In addition, since a gap is formed at a place where the suture thread passes through the continuous reinforcing fiber sheet subjected to the stitching process, it is desirable that the diameter of the suture thread is thin in terms of material strength. The stitching method, stitch length, and stitch interval during the suturing process are not particularly defined.

しかしながら、縫合処理が施された繊維シートでは、縫合糸が繊維シートを通る領域は、溶融した樹脂の繊維束内部への流入経路となる。本発明では、樹脂の粘度が極めて高い場合、又は樹脂の劣化を防ぐために各樹脂についてメーカーが推奨する成形温度以下で樹脂含浸を行う場合、或いは樹脂含浸速度を上昇させる場合は、縫合糸(縫い糸)の種類、縫い方、縫い目長さおよび縫合間隔について調整する事で樹脂含浸性を向上させることが可能である。   However, in the fiber sheet subjected to the suturing process, the region where the suture thread passes through the fiber sheet is an inflow path of the molten resin into the fiber bundle. In the present invention, when the resin viscosity is extremely high, or when the resin impregnation is performed below the molding temperature recommended by the manufacturer for each resin, or when the resin impregnation speed is increased, the suture thread (sewing thread) ), The stitching method, the stitch length, and the stitching interval can be adjusted to improve the resin impregnation property.

次いで、縫合処理を施した繊維シートに開繊の処理を施す。この開繊の処理とは、繊維の開繊と、連続強化繊維シートに含浸させようとする熱可塑性樹脂に対して、界面制御効果が得られないカップリング剤やサイジング剤を除去することを指す。開繊の処理の方法は特に指定されるものではないが、充分に繊維束が開繊され、繊維表面のカップリング剤やサイジング剤を除去できる方法で行う。この開繊の処理により、サイジング剤によるハンドリング性と繊維配向の均一性の維持の効果は失われるが、それに代わり上記縫合糸が同等の効果をもたらす。この開繊の処理により、熱可塑性樹脂が各フィラメント周りに流入する事で、繊維と樹脂の接着性が物理的効果により改善される。さらに接着性を向上させるには、含浸させようとする熱可塑性樹脂シートと繊維シートに対して界面制御効果が得られるカップリング剤を繊維表面に付着させる。この化学的処理と開繊の処理を合わせて、本発明では「繊維シートに対する開繊等処理」と呼ぶこととし、上記請求項に記載の「開繊等処理」は、繊維シートと熱可塑性樹脂との接着性を物理的さらには化学的にも向上させるために繊維シートへ施される処理の意味で記載されている。   Next, the fiber sheet subjected to the stitching process is subjected to a fiber opening process. The fiber opening treatment refers to fiber opening and removal of a coupling agent or sizing agent that does not provide an interface control effect for the thermoplastic resin to be impregnated into the continuous reinforcing fiber sheet. . The method for the fiber opening treatment is not particularly specified, but the fiber bundle is sufficiently opened and the fiber surface coupling agent and sizing agent can be removed. Although the effect of maintaining the handling property and the uniformity of fiber orientation by the sizing agent is lost by this fiber opening treatment, the above-described suture instead provides the same effect. As a result of this opening process, the thermoplastic resin flows around each filament, whereby the adhesion between the fiber and the resin is improved by a physical effect. In order to further improve the adhesion, a coupling agent capable of obtaining an interface control effect is adhered to the fiber surface with respect to the thermoplastic resin sheet and the fiber sheet to be impregnated. In the present invention, the chemical treatment and the opening treatment are collectively referred to as “opening treatment on the fiber sheet”, and the “opening treatment” described in the above-mentioned claims includes the fiber sheet and the thermoplastic resin. In order to improve the physical and chemical adhesion with the fiber sheet.

縫合処理および開繊等処理を施した連続強化繊維シートの両面もしくは片面のみに熱可塑性樹脂シートを配置した後、この積層物を熱可塑性樹脂の溶融温度より高い温度で加熱する。樹脂が溶融した後に、加圧して樹脂を含浸させ、冷却する事で熱可塑性樹脂プリプレグが製造される。この熱可塑性樹脂プリプレグの製造装置としては、前記積層物を熱可塑性樹脂の溶融温度より高い温度に予熱する予熱手段と、その予熱された積層物を加圧して熱可塑性樹脂プリプレグを形成する加圧手段とから成るもので構わない。この条件を満たす製造装置として、簡易なホットプレスを採用することが出来る。   After the thermoplastic resin sheet is disposed only on one side or both sides of the continuous reinforcing fiber sheet subjected to the stitching process and the fiber opening process, the laminate is heated at a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic resin. After the resin is melted, a thermoplastic resin prepreg is manufactured by pressurizing and impregnating the resin and cooling. This thermoplastic resin prepreg manufacturing apparatus includes preheating means for preheating the laminate to a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic resin, and pressurizing to press the preheated laminate to form a thermoplastic resin prepreg. It may be composed of means. As a manufacturing apparatus that satisfies this condition, a simple hot press can be employed.

本発明の熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法においては、連続強化繊維シートには繊維配向を維持するための張力等は与える必要は特に無い。縫合処理が繊維配向の乱れを抑制し、且つ樹脂の流入を促進させる。また、開繊等処理も、樹脂の流入を促進させ、それに加えて繊維と樹脂の接着性を物理的かつ化学的に向上させる。本発明は、工業的品質に優れた熱可塑性樹脂プリプレグが低コストで得られる製造方法であるというその根拠は使用される製造装置の簡便さに因るものである。   In the method for producing the thermoplastic resin prepreg of the present invention, it is not particularly necessary to give tension or the like for maintaining the fiber orientation to the continuous reinforcing fiber sheet. The stitching process suppresses disturbance of fiber orientation and promotes inflow of resin. In addition, treatment such as fiber opening also promotes the inflow of the resin and, in addition, improves the adhesion between the fiber and the resin physically and chemically. In the present invention, the basis that the thermoplastic resin prepreg having excellent industrial quality is obtained at low cost is based on the simplicity of the manufacturing apparatus used.

一方、前述した通り繊維シートには縫合処理および開繊等処理を施す必要があり、このことによるコストの増大が懸念される。しかしながら、縫合処理は工業用ミシン等により極めて簡便に行う事が可能であり、開繊等処理においても既存の技術が適用できる。従って、本発明に係る連続強化繊維シートを大量生産した場合においても、縫合処理により繊維シートの輸送時の繊維配向の乱れは抑制される事から、コストに関する問題の解決は極めて容易であると考えられる。このため、後述する本発明の実施形態において明らかなように、開繊等処理と樹脂含浸の製造プロセスを連続して行うための設備は特に必要とされない。   On the other hand, as described above, the fiber sheet needs to be subjected to a stitching process, a fiber opening process, and the like, and there is a concern about an increase in cost due to this. However, the suturing process can be performed very easily with an industrial sewing machine or the like, and existing techniques can also be applied to the process such as opening. Accordingly, even when the continuous reinforcing fiber sheet according to the present invention is mass-produced, the problem of cost is considered to be very easy to solve because the fiber orientation is disturbed by the stitching process during the transportation of the fiber sheet. It is done. For this reason, as will be apparent from the embodiments of the present invention to be described later, there is no particular need for equipment for continuously performing the fiber opening treatment and the resin impregnation manufacturing process.

さらに、本発明者達は、上記製造方法を発明するに到るまでに行った研究努力により、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂の繊維シートへの含浸には段階的加圧法が有効である事を見出した。この段階的加圧法とは、繊維の配向が乱れることを出来るだけ抑制するように、溶融させた熱可塑性樹脂を低い圧力から高い圧力へある時間間隔で段階的に昇圧することにより熱可塑性樹脂をゆっくりと確実に繊維束内部に流入させるにした熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法である。特に、熱可塑性樹脂の分子量が低く、溶融時に粘度が低い場合には、この段階的加圧法のみを適用する事で、繊維シートに開繊等処理のみを施したものについても、良好な熱可塑性樹脂プリプレグを得られる事が文献(炭素繊維一方向強化ポリプロピレンの力学特性評価、日本複合材料学会誌第32巻第4号)において確認されている。しかしながら、段階的加圧法の適用のみではプリプレグの製造時間の短縮には限界があるものと推測できる。つまり、加圧力を短い時間で上昇させると樹脂が繊維束内部に流入する前に、樹脂が繊維シート表面で圧延され、開繊された繊維シートの配向が乱れてしまうからである。しかしながら、本発明に係る縫合処理および開繊等処理が施された強化繊維シートと熱可塑性樹脂によるプリプレグの製造において、この段階的加圧法を適用することにより、繊維配向を乱さずに樹脂を繊維間に含浸させる効果を補助的に与えることができ、その結果、プリプレグの製造時間を短縮化することが出来るようになる。従って、このような製造方法についても上記請求項に含まれるものとする。   Furthermore, the present inventors have found that the stepwise pressurization method is effective for impregnating the fiber sheet with a thermoplastic resin such as polycarbonate, through research efforts up to the invention of the above production method. It was. In this stepwise pressurization method, in order to suppress disturbance of the fiber orientation as much as possible, the molten thermoplastic resin is stepped from a low pressure to a high pressure step by step at a certain time interval. This is a method for producing a thermoplastic resin prepreg that slowly and surely flows into the fiber bundle. In particular, when the thermoplastic resin has a low molecular weight and a low viscosity at the time of melting, only this stepwise pressurization method is applied, so that a fiber sheet that has only been subjected to a treatment such as opening is also excellent in thermoplasticity. It has been confirmed in the literature (Evaluation of mechanical properties of carbon fiber unidirectional reinforced polypropylene, Vol. 32, No. 4 of the Japan Society for Composite Materials) that resin prepreg can be obtained. However, it can be inferred that there is a limit to shortening the manufacturing time of the prepreg only by applying the stepwise pressurization method. That is, if the applied pressure is increased in a short time, the resin is rolled on the surface of the fiber sheet before the resin flows into the fiber bundle, and the orientation of the opened fiber sheet is disturbed. However, in the production of a prepreg made of a reinforced fiber sheet and a thermoplastic resin subjected to a stitching process and a fiber opening process according to the present invention, by applying this stepwise pressing method, the resin is made into a fiber without disturbing the fiber orientation. The effect of impregnating in between can be supplementarily provided, and as a result, the production time of the prepreg can be shortened. Accordingly, such a manufacturing method is also included in the above claims.

以上のことから、本発明による樹脂プリプレグの製造方法によれば、先に述べた繊維シートに施す縫合処理および開繊等処理の条件と樹脂含浸時の溶融温度/加圧力の最大値/圧力上昇過程の成形条件は、熱可塑性樹脂プリプレグに使用する熱可塑性樹脂シートと連続強化繊維シートの特性(樹脂の種類、繊維の種類など)、製造時間、および材料強度などの力学的特性に合わせて最適条件を選択する事ができる。   From the above, according to the method for producing a resin prepreg according to the present invention, the conditions for the stitching process and the fiber opening process applied to the fiber sheet described above and the melting temperature at the time of resin impregnation / maximum value of pressure / pressure increase The molding conditions of the process are optimal according to the mechanical properties such as the properties of the thermoplastic resin sheet and continuous reinforcing fiber sheet used for the thermoplastic resin prepreg (type of resin, type of fiber, etc.), production time, and material strength. You can select conditions.

また、本発明によって製造される熱可塑性樹脂プリプレグを複数枚、その繊維方向を交互に変化させて積層し、その積層物を加熱して樹脂を溶融させた後に加圧して熱可塑性樹脂複合材料積層板を製造することが出来る。   Also, a plurality of thermoplastic resin prepregs manufactured according to the present invention are laminated by alternately changing the fiber direction, and the laminate is heated to melt the resin and then pressurized to apply a thermoplastic resin composite material laminate. A board can be manufactured.

以上の説明では、繊維間に加圧含浸させるマトリクス樹脂として熱可塑性樹脂を前提としたが、熱可塑性樹脂に限らず、熱硬化性樹脂を繊維間に含浸・硬化させることにより熱硬化性樹脂プリプレグを製造することが可能となる。   In the above description, a thermoplastic resin is assumed as a matrix resin to be impregnated with pressure between fibers, but is not limited to a thermoplastic resin, and a thermosetting resin prepreg is impregnated and impregnated between fibers with a thermosetting resin. Can be manufactured.

熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂プリプレグの製造に関して、繊維シートに縫合処理および開繊等処理を施すことで、以下に説明する発明の効果が得られた。
1.物理的効果
(1)繊維シートに縫合処理を施すことにより、開繊処理後の繊維シートの配向乱れを抑制すると共に加圧による樹脂含浸時の繊維配向の乱れを抑制し、更には樹脂含浸過程において繊維シートに樹脂流入経路を付与する。
(2)繊維シートに開繊等処理を施すことにより、繊維シートの樹脂含浸性の向上ならびに繊維と樹脂との接着性の向上をもたらす。
2.経済的効果
(1)一般に流通する繊維シートに同じく一般に流通する熱可塑性樹脂シート又は熱硬化性樹脂を適用することによる樹脂プリプレグの低コスト化
(2)製造設備の単純化、低コスト化
以上の物理的および経済的効果により、本発明は、樹脂の含浸状態、強化繊維配向の均一性、樹脂と繊維の接着状態が良好である優れた工業的品質の熱可塑性樹脂プリプレグ又は熱硬化性樹脂プリプレグを、低コストで製造する方法を与えることが出来る。特に本発明により得られる熱可塑性樹脂プリプレグは、従来の熱可塑性樹脂プリプレグと同様に型に入れて熱圧成形することにより種々の形状の複合材構造物に成形することができる。
Regarding the production of the thermoplastic resin or the thermosetting resin prepreg, the effects of the invention described below were obtained by subjecting the fiber sheet to a treatment such as stitching and opening.
1. Physical effect (1) By applying a stitching process to the fiber sheet, the fiber sheet orientation disorder after the fiber opening process is suppressed and the fiber orientation disorder during the resin impregnation by pressurization is suppressed. The resin inflow path is given to the fiber sheet.
(2) The fiber sheet is subjected to a treatment such as opening, thereby improving the resin impregnation property of the fiber sheet and improving the adhesion between the fiber and the resin.
2. Economic effect (1) Lowering the cost of resin prepreg by applying a commonly distributed thermoplastic resin sheet or thermosetting resin to a generally distributed fiber sheet (2) Simplifying manufacturing equipment, reducing cost Due to physical and economic effects, the present invention provides an excellent industrial quality thermoplastic resin prepreg or thermosetting resin prepreg with good resin impregnation state, uniformity of reinforcing fiber orientation and good adhesion state between resin and fiber. Can be provided at a low cost. In particular, the thermoplastic resin prepreg obtained by the present invention can be molded into composite structures of various shapes by placing in a mold and hot pressing as in the case of a conventional thermoplastic resin prepreg.

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.

炭素繊維一方向連続シート(SP systems 製、UT-C400、目付 400g/sqm)を繊維方向に250mm、幅方向に230mmの大きさに切り出し炭素繊維シートとした。次に、炭素繊維シート1に対し工業用ミシン(JUKI製、DDL-9000S)により耐熱糸(クラレ製、ベクトラン、#50)2を利用して縫い目長さ1.25mm、縫いの間隔(縫合間隔)を20mmとして、繊維と直角方向に、幅230mm(=縫合長さ)全域を横断するようにして縫合した。縫い方は本縫いである。繊維シート端部での返し縫は行っていない。図1に縫合処理が施された炭素繊維シート1を示す。また、炭素繊維以外に、ガラス繊維、アラミド繊維、又はセラミック繊維等の強化繊維を一方向に引き揃えシート状にした繊維シートを使用することも可能である。また、耐熱糸は、ベクトラン以外にノーメックス、コーネックス、パイロメックス、ラステックス、又はザイロン等の高強度・高剛性の耐熱糸を使用することも可能である。   A carbon fiber unidirectional continuous sheet (SP systems, UT-C400, weight per unit: 400 g / sqm) was cut into a size of 250 mm in the fiber direction and 230 mm in the width direction to obtain a carbon fiber sheet. Next, using a heat-resistant yarn (Kuraray, Vectran, # 50) 2 with an industrial sewing machine (JUKI, DDL-9000S) for the carbon fiber sheet 1, the stitch length is 1.25mm, and the sewing interval (sewing interval) Was 20 mm, and was sutured so as to cross the entire area of 230 mm in width (= stitching length) in a direction perpendicular to the fiber. The way of sewing is lock stitching. Reverse stitching is not performed at the end of the fiber sheet. FIG. 1 shows a carbon fiber sheet 1 subjected to a suturing process. In addition to carbon fibers, it is also possible to use a fiber sheet in which reinforcing fibers such as glass fibers, aramid fibers, or ceramic fibers are aligned in one direction to form a sheet. In addition to Vectran, it is also possible to use a high-strength and high-rigidity heat-resistant yarn such as Nomex, Conex, Pyromex, Lastex, or Zylon.

次に、上記の縫合処理を施した炭素繊維シート1を、アセトン(和光純薬工業製、試薬特級)350ml中に60分間完全に浸し、一度完全にアセトンを揮発させてから、さらにアセトン250ml中に60分間完全に浸し、繊維束表面のサイジング剤およびカップリング剤を除去した。アセトンを利用した炭素繊維シートの開繊等処理の特徴は、サイジング剤とカップリング剤を同時に除去する事ができ、さらに脱脂の効果もあることである。また、機械的方法による開繊よりも、繊維の毛羽立ちの少ない開繊繊維シートを得る事が出来る。図2に縫合処理および開繊等処理が施された炭素繊維シート3を示す。縫合処理を施したことにより開繊後においても炭素繊維シート3の取扱性は良好であり、樹脂含浸時においても一方向の炭素繊維シートの配向が維持される。また、炭素繊維シート3における縫合糸(耐熱糸2)の通り道は樹脂の流入経路となる。図3は本発明に係る縫合処理および開繊等処理を施した連続強化繊維シート10の概要図である。なお、本実施例ではポリカーボネートと炭素繊維の接着界面を制御するための繊維束へのカップリング剤、例えばシラン系、チタネート系、アルミネート系、ジルコネート系等のカップリング剤の添付は行っていない。   Next, the above-mentioned carbon fiber sheet 1 subjected to the suturing treatment is completely immersed in 350 ml of acetone (made by Wako Pure Chemical Industries, reagent special grade) for 60 minutes, once the acetone is completely evaporated, and further in 250 ml of acetone. For 60 minutes to remove the sizing agent and coupling agent on the surface of the fiber bundle. The feature of the treatment such as opening of the carbon fiber sheet using acetone is that the sizing agent and the coupling agent can be removed at the same time, and there is also a degreasing effect. In addition, it is possible to obtain a spread fiber sheet with less fiber fluffing than the mechanical fiber opening. FIG. 2 shows a carbon fiber sheet 3 that has been subjected to a stitching process, a fiber opening process, and the like. By performing the stitching process, the handleability of the carbon fiber sheet 3 is good even after opening, and the orientation of the carbon fiber sheet in one direction is maintained even during resin impregnation. Further, the passage of the suture thread (heat-resistant thread 2) in the carbon fiber sheet 3 becomes a resin inflow path. FIG. 3 is a schematic view of the continuous reinforcing fiber sheet 10 subjected to the stitching process and the fiber opening process according to the present invention. In this example, coupling agents such as silane, titanate, aluminate, zirconate and the like are not attached to the fiber bundle for controlling the adhesion interface between the polycarbonate and the carbon fiber. .

図4は、本発明の実施例であるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの製造方法を示す説明図である。
熱可塑性樹脂シートとしてのポリカーボネートシート4(帝人化成製、パンライトフィルム、PC-2151(クリア))を230×140mmに切り出し、このポリカーボネートシート4を定温乾燥機により乾燥させた(110℃、5hour以上)。上部加熱・加圧板6および下部加熱・加圧板7から成る熱可塑性樹脂成形用の加圧板型に対し、アルミの薄い板から成るスペーサー(ダム)5を、幅230mmの間隔をあけて耐熱テープ(カプトンテープ)によって下部加熱・加圧板7に貼り付け固定した。次に、上記の縫合処理および開繊等処理済みの連続強化繊維シート10を下部加熱・加圧板7上のスペーサー5,5間に配置し、端部を耐熱テープで止め(図示せず)、その上に乾燥させたポリカーボネートシート4を配置した。特に特別な方法ではなく、ポリカーボネートシート4も連続強化繊維シート10の片面に積層するだけであり、極めて簡便な成形方法である事が分かる。また、図4による成形法(製造方法)は、本発明に係る縫合処理および開繊等処理済み連続強化繊維シート10による熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法の一例である。なお、熱可塑性樹脂は、ポリカーボネート以外に塩化ビニル、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルホン、又はポリエーテルエーテルケトンを使用することが可能である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a method for producing a polycarbonate / carbon fiber prepreg according to an embodiment of the present invention.
Polycarbonate sheet 4 (manufactured by Teijin Chemicals, Panlite film, PC-2151 (clear)) as a thermoplastic resin sheet was cut out to 230 × 140 mm, and this polycarbonate sheet 4 was dried by a constant temperature dryer (110 ° C., 5 hours or more) ). A spacer (dam) 5 made of a thin aluminum plate is placed on a heat-resistant tape (with a width of 230 mm) against a pressure plate mold for molding a thermoplastic resin consisting of an upper heating / pressure plate 6 and a lower heating / pressure plate 7. Affixed and fixed to the lower heating / pressurizing plate 7 with Kapton tape). Next, the above-described continuous reinforcing fiber sheet 10 that has been subjected to the stitching process and the opening process is disposed between the spacers 5 and 5 on the lower heating / pressurizing plate 7, and ends thereof are fixed with heat-resistant tape (not shown), A dried polycarbonate sheet 4 was placed thereon. It is understood that this is not a special method, and the polycarbonate sheet 4 is also simply laminated on one side of the continuous reinforcing fiber sheet 10 and is an extremely simple molding method. Moreover, the shaping | molding method (manufacturing method) by FIG. 4 is an example of the manufacturing method of the thermoplastic resin prepreg by the continuous reinforcement | strengthening fiber sheet 10 processed, such as a stitching process and fiber opening concerning this invention. In addition to polycarbonate, vinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), polyethylene, polypropylene, polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, polyimide, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, or polyether ether ketone are used as the thermoplastic resin. Is possible.

予熱手段および加圧手段としてのホットプレス(東洋精機製、ミニテストプレスMP-S)を成形温度310℃まであらかじめ昇温させた。次に、連続強化繊維シート10の上にポリカーボネートシート4を積層した成形用の加圧板型をホットプレスに配置して、10分間の予備加熱を行った。予備加熱終了後、段階的加圧法により、連続強化繊維シート10に対するポリカーボネートシート4の含浸を加圧により行った。昇圧速度については、昇圧時間の間隔はいずれも2min.であるが、0.25MPaまでを0.0625MPaずつ昇圧、0.25〜0.75MPaは0.125MPaずつ、0.75〜1.75MPaは0.25MPaずつ昇圧した。昇圧は時間間隔をタイマーで測り、手動により圧力を上げているため、昇圧プロセスには若干のばらつきが生じる事を付記しておく。1.75MPaまで昇圧した後、その加圧の大きさを維持したままホットプレスの加熱盤のスイッチを切って190℃まで自然冷却した。190℃まで温度が下がれば、ホットプレスの水冷機能を利用して120℃までさらに冷却し、徐圧して脱型した。以上の成形方法により、ポリカーボネート・炭素繊維プリプレグ(平均厚さ0.4mm)を得た。本発明の方法により得られた熱可塑性樹脂プリプレグとしてのポリカーボネート・炭素繊維プリプレグは含浸不良も無く、繊維配向の大きな乱れも見られず、良好な成形物であった。図5に得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを示す。図6は得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを拡大して示したものである。このポリカーボネート・炭素繊維プリプレグには大きな空隙等も特に見られず、良好な成形状態であることが確認できる。また、図7はポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを繊維方向に沿って引き裂いた場合の縫合糸付近の顕微鏡写真を示す。縫合糸周辺においても含浸不良は生じていないことが分かる。   A hot press (manufactured by Toyo Seiki, mini-test press MP-S) as preheating means and pressurizing means was preheated to a molding temperature of 310 ° C. Next, a pressure plate mold for molding in which the polycarbonate sheet 4 was laminated on the continuous reinforcing fiber sheet 10 was placed in a hot press, and preheating was performed for 10 minutes. After the preheating, the continuous reinforcing fiber sheet 10 was impregnated with the polycarbonate sheet 4 by pressurization by a stepwise pressurization method. Regarding the pressure increase rate, the intervals of the pressure increase time were both 2 min. It should be noted that since the pressure increase is measured by a timer and the pressure is increased manually, a slight variation occurs in the pressure increase process. After the pressure was increased to 1.75 MPa, the hot press heating panel was switched off and the air was naturally cooled to 190 ° C. while maintaining the pressure level. When the temperature dropped to 190 ° C, it was further cooled to 120 ° C using the water-cooling function of the hot press and depressurized for demolding. A polycarbonate / carbon fiber prepreg (average thickness: 0.4 mm) was obtained by the molding method described above. The polycarbonate / carbon fiber prepreg as the thermoplastic resin prepreg obtained by the method of the present invention had no impregnation failure and no significant disturbance in fiber orientation, and was a good molded product. FIG. 5 shows the obtained polycarbonate / carbon fiber prepreg. FIG. 6 is an enlarged view of the obtained polycarbonate / carbon fiber prepreg. In this polycarbonate / carbon fiber prepreg, no large voids are particularly seen, and it can be confirmed that the polycarbonate / carbon fiber prepreg is in a good molded state. FIG. 7 shows a photomicrograph of the vicinity of the suture thread when the polycarbonate / carbon fiber prepreg is torn along the fiber direction. It can be seen that there is no impregnation failure around the suture.

また、図8は、連続強化繊維シートに樹脂を含浸する加圧プロセスを示す説明図である。なお、プロセス1とは、予備加熱を10分間行い、その後昇圧間隔を2min.に保持し、0.25MPaまでを0.0625MPaずつ、0.25〜0.75MPaは0.125MPaずつ、0.75〜1.75MPaは0.25MPaずつの11段階で昇圧する加圧工程である(加圧合計時間=32min.)。
プロセス2とは、予備加熱を5分間行い、その後昇圧間隔を1min.に保持し、0.75MPaまでを0.125MPaずつ、0.75〜1.75MPaは0.25MPaずつの9段階で昇圧する加圧工程である(加圧合計時間=14min.)。
プロセス3とは、予備加熱を3分間行い、その後昇圧間隔を1min.に保持し、0.25MPaまでを0.125MPaずつ、0.25〜1.75MPaは0.25MPaずつの7段階で昇圧する加圧工程である(加圧合計時間=10min.)。
Moreover, FIG. 8 is explanatory drawing which shows the pressurization process which impregnates a continuous reinforcing fiber sheet with resin. In Process 1, preheating is performed for 10 minutes, and then the pressurization interval is maintained at 2 min., Up to 0.25 MPa in increments of 0.0625 MPa, 0.25 to 0.75 MPa in increments of 0.125 MPa, and 0.75 to 1.75 MPa in increments of 0.25 MPa. This is a pressurizing process in which pressure is increased in 11 steps (total pressurization time = 32 min.).
Process 2 is a pressurizing step in which preheating is performed for 5 minutes, and then the pressure increase interval is maintained at 1 min., And pressure is increased in 9 steps of 0.125 MPa up to 0.75 MPa and 0.25 to 1.75 MPa in increments of 0.25 MPa ( Pressurization total time = 14 min.).
Process 3 is a pressurizing step in which preheating is performed for 3 minutes, and then the pressure increase interval is maintained at 1 min., And pressure is increased in 7 steps of 0.125 MPa up to 0.25 MPa and 0.25 to 1.75 MPa in 0.25 MPa steps ( Pressurization total time = 10 min.).

上記プロセス1によって、20mmの縫合間隔で上記縫合処理が施された連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグについては、樹脂と強化繊維との成形状態が良好であることが確認された。
また、上記プロセス2によって、10mmの縫合間隔で上記縫合処理が施された連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグについても、樹脂と強化繊維との成形状態が良好であることが確認された。
また、上記プロセス3によって、10mmの縫合間隔で上記縫合処理が施された連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグについても、樹脂と強化繊維との成形状態が良好であることが確認された。
ところが、同じプロセス3によって、縫合間隔を20mmに拡げた縫合処理が施された連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させた場合の樹脂と強化繊維との成形状態は、含浸不良であった。
従って、上記試験結果から、加圧時間と縫合間隔が樹脂と強化繊維の成形に与える影響については、縫合間隔が小さいと強化繊維に対する樹脂の含浸性は向上し、更に昇圧速度が遅いと強化繊維に対する樹脂の含浸性は向上するものと考えられる。
With respect to the polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the polycarbonate sheet 4 into the continuous reinforcing fiber sheet 10 subjected to the stitching process at a stitching interval of 20 mm by the process 1, the molded state of the resin and the reinforcing fiber is used. Was confirmed to be good.
Further, the polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the polycarbonate sheet 4 into the continuous reinforcing fiber sheet 10 subjected to the stitching process at a stitching interval of 10 mm by the process 2 is also used for the resin and the reinforcing fiber. It was confirmed that the molding state was good.
Further, with respect to the polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the polycarbonate sheet 4 into the continuous reinforcing fiber sheet 10 subjected to the stitching process at a stitching interval of 10 mm by the process 3, the resin and the reinforcing fiber are also mixed. It was confirmed that the molding state was good.
However, in the same process 3, when the continuous reinforcing fiber sheet 10 subjected to the stitching process with the stitching interval extended to 20 mm was impregnated with the polycarbonate sheet 4, the molding state of the resin and the reinforcing fiber was poorly impregnated. .
Therefore, from the above test results, regarding the influence of the pressurization time and stitching interval on the molding of the resin and the reinforcing fiber, if the stitching interval is small, the impregnation property of the resin to the reinforcing fiber is improved, and if the pressurizing speed is slow, the reinforcing fiber It is considered that the impregnation property of the resin with respect to is improved.

図9は、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの静的引張試験の結果を示すグラフである。なお、供試体1-3(Specimen1-3)は、上記プロセス1によって、縫合間隔が20mmである連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグである。また、この引張試験は、180mm×25mm×3.5mmの試験片を0.5mm/minの試験速度で試験機によって引っ張ることにより行われた。また、比較例として、ポリカーボネート樹脂単体(PC)およびエポキシ樹脂単体(Epoxy)についても同様な条件で引張試験を実施した。図9は、その時の応力−ひずみ曲線を示している。この図から分かるように、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグはポリカーボネート樹脂単体と比較し、引張強度および剛性が極めて大きい。   FIG. 9 is a graph showing the results of a static tensile test of the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention. The specimen 1-3 (Specimen1-3) is a polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the polycarbonate sheet 4 with the continuous reinforcing fiber sheet 10 having a stitching interval of 20 mm by the process 1 described above. This tensile test was performed by pulling a test piece of 180 mm × 25 mm × 3.5 mm with a tester at a test speed of 0.5 mm / min. Further, as a comparative example, a polycarbonate resin simple substance (PC) and an epoxy resin simple substance (Epoxy) were subjected to a tensile test under the same conditions. FIG. 9 shows a stress-strain curve at that time. As can be seen from this figure, the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention has extremely high tensile strength and rigidity as compared with the polycarbonate resin alone.

図10は、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの圧縮試験の結果を示すグラフである。なお、供試体は、図9と同じく、上記プロセス1によって、縫合間隔が20mmである上記連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグである。また、試験は、80mm×25mm×3.5mmの試験片を0.5mm/minの試験速度で試験機によって圧縮することにより行われた。また、比較例として、上記連続強化繊維シート10にエポキシ樹脂を含浸させたエポキシ・炭素繊維プリプレグについても同様な条件で圧縮試験を実施した。図10は、その時の応力−時間曲線を示している。この図から分かるように、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグでは、逐次破壊が起こり、エポキシ・炭素繊維プリプレグに比較して圧縮強度は高く、破壊によるエネルギー吸収も大きい。   FIG. 10 is a graph showing the results of a compression test of a polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention. The specimen is a polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the continuous reinforcing fiber sheet 10 having a stitching interval of 20 mm with the polycarbonate sheet 4 in the same manner as in FIG. The test was conducted by compressing a test piece of 80 mm × 25 mm × 3.5 mm with a tester at a test speed of 0.5 mm / min. In addition, as a comparative example, a compression test was performed under the same conditions for an epoxy / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the continuous reinforcing fiber sheet 10 with an epoxy resin. FIG. 10 shows a stress-time curve at that time. As can be seen from this figure, in the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention, sequential failure occurs, the compressive strength is higher than that of the epoxy / carbon fiber prepreg, and the energy absorption by the failure is also large.

図11は、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの曲げ試験の結果を示すグラフである。なお、供試体は、図9と同じく、上記プロセス1によって、縫合間隔が20mmである上記連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグである。また、試験は、JIS K7074に準拠して、両端を単純支持された180mm×15mm×3.5mmの試験片の1点に荷重(3点曲げ)を加えて、或いは2点に荷重(4点曲げ)を加え5mm/minの試験速度でたわませることにより行われた。図11は、その時の応力−変位曲線を示している。この図から分かるように、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグでは、逐次破壊が起こり、圧縮試験同様に、破壊によるエネルギー吸収が大きい。また、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの3点曲げ強さ及び4点曲げ強さは、それぞれ561MPa,484MPaという結果であった。   FIG. 11 is a graph showing the results of a bending test of the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention. The specimen is a polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the continuous reinforcing fiber sheet 10 having a stitching interval of 20 mm with the polycarbonate sheet 4 in the same manner as in FIG. In addition, in accordance with JIS K7074, the test is performed by applying a load (three-point bending) to one point of a 180 mm x 15 mm x 3.5 mm test piece simply supported at both ends, or a load (four-point bending) at two points. ) And bending at a test speed of 5 mm / min. FIG. 11 shows a stress-displacement curve at that time. As can be seen from the figure, in the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention, sequential breakage occurs, and energy absorption due to breakage is large as in the compression test. The three-point bending strength and the four-point bending strength of the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention were 561 MPa and 484 MPa, respectively.

図12は、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの落錘衝撃試験後の観察結果を示す写真である。なお、供試体は、図9と同じく、上記プロセス1によって縫合間隔が20mmである上記連続強化繊維シート10にポリカーボネートシート4を含浸させることにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグである。また、試験は、JIS K7089に準拠して、80mm×50mm×3.5mmの試験片に対し所定の高さから所定の錘を落下させることにより行われた。図12は、それぞれの(エネルギー換算:12J,36J,70J)衝撃試験後の本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの表面および裏面における変形状態を示している。また、比較例として、上記連続強化繊維シート10にエポキシ樹脂を含浸させたエポキシ・炭素繊維プリプレグに対して、62.5Jの落錘衝撃を与えた後の表裏面の変形状態を図13にて示した。これらの図から分かるように、本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグでは、衝撃を与えた箇所では与えたエネルギーの大きさに比例して表裏面の変形量も大きくなるが、表裏面が貫通する程の大きな変形には到っていない。例えば70Jの大きなエネルギーを与えた箇所でも表裏面が貫通する程の大きな変形には到っていない。他方、エポキシ・炭素繊維プリプレグの場合、62.5Jのエネルギーを与えた箇所では、表裏面がほとんど貫通する程大きく変形している。   FIG. 12 is a photograph showing an observation result after a falling weight impact test of the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention. As in FIG. 9, the specimen is a polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the continuous reinforcing fiber sheet 10 having a stitching interval of 20 mm by the process 1 with the polycarbonate sheet 4. The test was performed by dropping a predetermined weight from a predetermined height on a test piece of 80 mm × 50 mm × 3.5 mm in accordance with JIS K7089. FIG. 12 shows the deformation state on the front and back surfaces of the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention after each (energy conversion: 12J, 36J, 70J) impact test. As a comparative example, FIG. 13 shows the deformation state of the front and back surfaces of the epoxy / carbon fiber prepreg obtained by impregnating the above-mentioned continuous reinforcing fiber sheet 10 with an epoxy resin after 62.5 J drop weight impact is applied. It was. As can be seen from these figures, in the polycarbonate / carbon fiber prepreg according to the present invention, the amount of deformation of the front and back surfaces increases in proportion to the applied energy at the location where the impact is applied, but the front and back surfaces penetrate. Not as big as the deformation. For example, even at a location where a large energy of 70 J is applied, the deformation has not reached such a great extent that the front and back surfaces penetrate. On the other hand, in the case of an epoxy / carbon fiber prepreg, the front and back surfaces of the epoxy / carbon fiber prepreg are greatly deformed so that the front and back surfaces almost penetrate.

また、図14は、それぞれの(エネルギー換算:12J,36J,70J)衝撃試験時の荷重・エネルギー履歴を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing the load / energy history during each (energy conversion: 12J, 36J, 70J) impact test.

図15は、本発明の樹脂プリプレグの製造方法を高強度・高弾性炭素繊維に適用することにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの内部観察結果を示す写真である。
この図は、炭素繊維として一方向炭素繊維基材 T800SC (SARTEX社製、24K)を使用し、上記縫合処理および開繊処理を施した後、2つの異なる成形プロセスによってポリカーボネート樹脂を加圧含浸させた時のポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの内部観察結果であり、図15(a)は、最終到達圧力=7MPa、加圧合計時間=10min.、成形温度=270℃の成形プロセスによるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの内部観察結果であり、同(b)は、最終到達圧力=2MPa、加圧合計時間=10min.、成形温度=310℃の成形プロセスによるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの内部観察結果である。
前者の成形プロセスによるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの含浸状態は良好であったが、後者の成形プロセスによるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの樹脂含浸状態は、未含浸部が存在しあまり良好ではなかった。これらの結果から、成形プロセスの条件を変化させることで、樹脂の含浸状態が大きく変化することが分かった。従って、使用材料のメーカー・成形装置が異なれば、成形プロセス条件について調整が必要になるものと考えられる。
FIG. 15 is a photograph showing an internal observation result of a polycarbonate / carbon fiber prepreg obtained by applying the method for producing a resin prepreg of the present invention to a high-strength / high-elasticity carbon fiber.
In this figure, unidirectional carbon fiber substrate T800SC (SARTEX, 24K) is used as the carbon fiber, and after the above-described stitching treatment and fiber opening treatment, the polycarbonate resin is pressure impregnated by two different molding processes. FIG. 15 (a) shows the results of internal observation of the polycarbonate / carbon fiber prepreg at the time when the final pressure was 7 MPa, the total pressurization time was 10 min., And the molding temperature was 270 ° C. (B) is an internal observation result of a polycarbonate / carbon fiber prepreg by a molding process of final ultimate pressure = 2 MPa, total pressure time = 10 min., Molding temperature = 310 ° C.
The impregnation state of the polycarbonate / carbon fiber prepreg by the former molding process was good, but the resin impregnation state of the polycarbonate / carbon fiber prepreg by the latter molding process was not so good because there was an unimpregnated part. From these results, it was found that the impregnation state of the resin changed greatly by changing the conditions of the molding process. Therefore, it is considered that adjustment of the molding process conditions is necessary if the manufacturer and molding apparatus of the material used are different.

図16は、加圧力および成形温度が樹脂プリプレグの厚さに与える影響を示すグラフである。なお、炭素繊維としては、図15と同じく、一方向炭素繊維基材 T800SC (SARTEX社製、24K)を使用し、その炭素繊維に加圧含浸させる樹脂としてはポリカーボネートを使用した。図16(a)は、成形温度を270℃に保持した時の加圧力(最終到達圧力)と得られた樹脂プリプレグ(ポリカーボネート・炭素繊維プリプレグ)の厚さとの相関を示し、同(b)は、加圧力を3MPa〜7MPaに変化させながら、成形温度と得られた樹脂プリプレグの厚さとの相関を示している。また、炭素繊維は、一方向炭素繊維基材 T800SC (SARTEX社製、24K)を使用した。
図16(a)から、成形温度が一定の場合、加圧力が上昇すると厚さは減少する傾向が見られる。他方、同(b)から、加圧力が一定の場合、成形温度が上昇すると厚さは減少する傾向が見られる。
FIG. 16 is a graph showing the influence of the applied pressure and molding temperature on the thickness of the resin prepreg. As the carbon fiber, a unidirectional carbon fiber substrate T800SC (manufactured by SARTEX, 24K) was used as in FIG. 15, and polycarbonate was used as a resin to be impregnated into the carbon fiber under pressure. FIG. 16 (a) shows the correlation between the applied pressure (final ultimate pressure) when the molding temperature is maintained at 270 ° C. and the thickness of the obtained resin prepreg (polycarbonate / carbon fiber prepreg). 3 shows the correlation between the molding temperature and the thickness of the obtained resin prepreg while changing the applied pressure from 3 MPa to 7 MPa. The carbon fiber used was a unidirectional carbon fiber substrate T800SC (SARTEX, 24K).
From FIG. 16 (a), when the molding temperature is constant, the thickness tends to decrease as the applied pressure increases. On the other hand, from (b), when the pressing force is constant, the thickness tends to decrease as the molding temperature rises.

別の観点から本発明の効果を明らかにするために、比較物として、同じ炭素繊維シートに縫合処理を行わずにアセトンにより開繊等処理のみを行い、全く同様の方法でプリプレグを成形した。図17は、炭素繊維シートにアセトンを用いて上記開繊等処理を施したものである。図18はその開繊等処理のみを施した炭素繊維シートを用いて製造されたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグである。図5−7に示す縫合処理および開繊等処理済みの連続強化繊維シートを利用したポリカーボネート・炭素繊維プリプレグでは両面共に樹脂が充分に含浸している様子が観察することができるが、図18(a)に示すポリカーボネート・炭素繊維プリプレグでは片面側で樹脂の未含浸の領域が多数観察でき、含浸不良を起こしていることが分かる。また、図18(b)に示すその拡大写真では未含浸の炭素繊維が飛び出している様子がよく分かる。このような樹脂含浸結果の違いをもたらす理由は、縫合処理および開繊処理済みの連続強化繊維シートの場合、縫合処理により熱可塑性樹脂の流入経路が確保されることにより樹脂含浸が促進されたためであり、本実施結果は本発明の効果を明確に示す事例である。   In order to clarify the effect of the present invention from another point of view, as a comparative product, the same carbon fiber sheet was not subjected to a stitching process but only subjected to a fiber opening treatment or the like with acetone, and a prepreg was molded in exactly the same manner. FIG. 17 shows the carbon fiber sheet that has been subjected to the above-described opening process using acetone. FIG. 18 is a polycarbonate / carbon fiber prepreg manufactured using a carbon fiber sheet that has been subjected only to the fiber opening treatment and the like. In the polycarbonate / carbon fiber prepreg using the continuous reinforcing fiber sheet that has been subjected to the stitching treatment and the fiber opening treatment shown in FIG. 5-7, it can be observed that both surfaces are sufficiently impregnated with the resin. In the polycarbonate / carbon fiber prepreg shown in a), many unimpregnated regions of the resin can be observed on one side, and it can be seen that poor impregnation occurs. In addition, the enlarged photograph shown in FIG. 18B clearly shows that the unimpregnated carbon fiber is popping out. The reason for this difference in resin impregnation results is that in the case of continuous reinforcing fiber sheets that have been subjected to stitching treatment and fiber opening treatment, the resin impregnation is promoted by securing the inflow path of the thermoplastic resin by the stitching treatment. Yes, this implementation result is an example that clearly shows the effect of the present invention.

次に、積層板成形用の金型に、得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを200×200mmの大きさに切り出し、これを0/90/90/0/0/90/90/0の角度配向で積層した。また、同時に表面にはそのポリカーボネート・炭素繊維プリプレグと同サイズのポリカーボネートシートを各一枚ずつ積層した。このプリプレグとこのポリカーボネートシートを配置した金型を、ポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの成型時と同じ熱盤温度310℃に設定したホットプレスに設置した。310℃の温度で10分間の予備加熱を行い、昇圧速度は1min.間隔で1MPaずつ4MPaまで上げた。次に、1min.間隔で2MPaずつ最大10MPaまで加圧した。10MPaまで昇圧した後、その加圧値を維持したままホットプレスの熱盤のスイッチを切って190℃まで自然冷却した。190℃まで温度が下がったところで、ホットプレスの水冷機能を利用して110℃までさらに冷却し、徐圧して脱型した。以上の成形方法で、ポリカーボネート・炭素繊維直交異方性複合材料積層板(平均厚さ3.5mm)を得た。図19に積層板の外観写真を示す。繊維束配向の大きな乱れや含浸不良箇所は観察されない。図20(a)-(d)は、成形したこの積層板を切断して小さな試験片を作成し、切断面を研磨したものを光学顕微鏡にて撮影した写真を示すものである。図20(a)は、異なる繊維配向が含まれる積層板断面の様子であるが、空隙等は見られず、確実に樹脂含浸が行われていることが分かる。また、図20(b)-(c)は各層の断面をより拡大して示したものであるが、各繊維の周りに樹脂が流入して接着している様子が分かる。図20(d)は縫合糸周辺の断面写真であるが、縫合糸周辺にも空隙等は見られず、充分な樹脂含浸がなされていることが分かる。以上より、樹脂の含浸状態は良好であり、繊維配向にも特に乱れが見られない事から、本複合材料は工業用材料として良好に使用する事が出来るものと考えられる。   Next, the obtained polycarbonate / carbon fiber prepreg is cut into a size of 200 × 200 mm in a mold for forming a laminate, and this is angularly oriented at 0/90/90/0/0/90/90/0. Laminated. At the same time, one polycarbonate sheet of the same size as the polycarbonate / carbon fiber prepreg was laminated on the surface. The prepreg and the mold on which the polycarbonate sheet was placed were placed in a hot press set at a hot platen temperature of 310 ° C., which was the same as that for molding the polycarbonate / carbon fiber prepreg. Preheating was performed at a temperature of 310 ° C. for 10 minutes, and the pressure increase rate was increased to 4 MPa by 1 MPa at intervals of 1 min. Next, the pressure was increased by 2 MPa at intervals of 1 min. After increasing the pressure to 10 MPa, the hot press hot platen was switched off and the air was naturally cooled to 190 ° C. while maintaining the pressure value. When the temperature dropped to 190 ° C., it was further cooled to 110 ° C. using the water-cooling function of the hot press and depressurized for demolding. By the above molding method, a polycarbonate / carbon fiber orthotropic composite laminate (average thickness 3.5 mm) was obtained. FIG. 19 shows a photograph of the appearance of the laminate. No significant disturbance in fiber bundle orientation or poor impregnation is observed. FIGS. 20 (a) to 20 (d) show photographs taken with an optical microscope of cut specimens made by cutting the molded laminate and polishing the cut surfaces. FIG. 20 (a) shows a cross-sectional view of a laminate including different fiber orientations, but no voids or the like are seen, and it can be seen that resin impregnation is performed reliably. 20 (b) to 20 (c) are enlarged views of the cross sections of the respective layers, and it can be seen that the resin flows and adheres around the respective fibers. FIG. 20 (d) is a cross-sectional photograph of the periphery of the suture, and it can be seen that there are no voids or the like around the suture and the resin is sufficiently impregnated. From the above, since the impregnation state of the resin is good and the fiber orientation is not particularly disturbed, it is considered that the present composite material can be used satisfactorily as an industrial material.

本ポリカーボネート・炭素繊維強化複合材料積層板を得るために利用した主な設備は、プリプレグの製造を含めても市販の工業用ミシンとホットプレスであり、低コスト設備でありながら良好な複合材料が得られる事が実証された。また、製造時間についても、プリプレグ製造時間は縫合処理の方法および段階的加圧法の最適化により制御する事が可能であり、さらには大型のホットプレス機さえあれば大面積のプリプレグを一度に製造する事が出来る。このことから単位時間当たりの複合材料積層板製造量を容易に増加させることが可能であると考える。   The main equipment used to obtain this polycarbonate / carbon fiber reinforced composite laminate is a commercial industrial sewing machine and hot press, including the production of prepregs. It has been proved that it can be obtained. In addition, prepreg manufacturing time can be controlled by optimizing the stitching method and stepwise pressurization method, and a large area prepreg can be manufactured at once with a large hot press. I can do it. From this, it is considered that the production amount of the composite material laminate per unit time can be easily increased.

しかしながら、本実施例の上記積層板の内部では層内き裂が部分的に発生している事が確認された。これはポリカーボネート樹脂成形物の冷却処理について、熱可塑性樹脂の熱残留応力を除去するためのアニーリング処理を本実施例では行わなかった事が理由であると考えられる。そこで、アニーリング処理方法について最適化することにより良好な成形物を得る方法についても、本発明の一つとすることを、特に付記しておく。   However, it was confirmed that a crack in the layer partially occurred inside the laminated board of this example. This is considered to be because the annealing treatment for removing the thermal residual stress of the thermoplastic resin was not carried out in this embodiment for the cooling treatment of the polycarbonate resin molded product. Therefore, it is particularly added that the method of obtaining a good molded product by optimizing the annealing treatment method is also one of the present inventions.

上記実施例1では、炭素繊維シート1の繊維間に加圧含浸させるマトリクス樹脂として熱可塑性樹脂であるポリカーボネートシート4を用いて、本発明の製造方法によって熱可塑性樹脂プリプレグであるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを製造した例が示されているが、マトリクス樹脂として熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、マレイミド樹脂、又はこれらが混合された熱硬化性樹脂を用いて、本発明の製造方法によって熱硬化性樹脂プリプレグを製造することも可能である。以下に紫外線硬化樹脂をマトリクス樹脂とする紫外線硬化樹脂積層型複合材構造物の製造方法の実施例を述べる。なお、紫外線硬化樹脂は樹脂含浸を常温で行うことが可能であり、樹脂の硬化は紫外線照射により行われる。従って、上記実施例1にて示した熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法と同様に、極めて簡単な設備で迅速に複合材構造物を製造する事が可能となる。   In Example 1 above, polycarbonate / carbon fiber prepreg, which is a thermoplastic resin prepreg, is produced by the production method of the present invention using polycarbonate sheet 4 which is a thermoplastic resin as a matrix resin to be impregnated between the fibers of carbon fiber sheet 1. An example of producing a thermosetting resin as a matrix resin, such as an epoxy resin, a phenol resin, an unsaturated polyester resin, a urethane resin, a urethane acrylate resin, a vinyl ester resin, a cyanate ester resin, a phenoxy resin, It is also possible to produce a thermosetting resin prepreg by the production method of the present invention using an alkyd resin, a maleimide resin, or a thermosetting resin in which these are mixed. Examples of a method for producing an ultraviolet curable resin laminated composite structure using an ultraviolet curable resin as a matrix resin will be described below. The ultraviolet curable resin can be impregnated with resin at room temperature, and the resin is cured by ultraviolet irradiation. Therefore, similar to the method for producing the thermoplastic resin prepreg shown in Example 1, it is possible to produce a composite material structure quickly with extremely simple equipment.

紫外線硬化樹脂をマトリクスとする積層型複合材構造物の製造方法としては、樹脂含浸において樹脂を加熱する必要が無い。つまり、ゲル状の紫外線硬化樹脂を縫合・開繊等処理済み連続強化繊維シートに塗布するなどして常温でハンドローラーまたはプレス機を用いて樹脂を加圧含浸させる。この際、一般に粘度の高い紫外線硬化樹脂に対しても、縫合糸が繊維の配向を維持すると共に、縫合糸の領域が樹脂流入経路となることで含浸性を向上させている。また繊維束を開繊することで繊維束周りに樹脂が流入して接着性を向上させる。樹脂はある波長の紫外線に反応して硬化するタイプのものを選ぶ事で、作業環境に制約をもたらす事は無い。強化繊維シートはドライのものであり、樹脂の保存もチューブ入りのもの等を使う事でプリプレグと比較して管理コストも低く抑える事が可能である。このようにして、ウェットな(樹脂が未硬化)紫外線硬化樹脂プリプレグを製造する。このプリプレグを複数枚積層してから常温でハンドローラーまたはプレス機を用いて加圧し、層間の空気を追い出して密着させる。最後に紫外線を照射して樹脂を硬化させる事で、紫外線硬化樹脂積層型複合材構造物を極めて迅速かつ低コストに製造する事が出来る。   As a method for producing a laminated composite material structure using an ultraviolet curable resin as a matrix, it is not necessary to heat the resin during resin impregnation. That is, the resin is pressure-impregnated at room temperature using a hand roller or a press machine, for example, by applying a gel-like ultraviolet curable resin to a continuous reinforcing fiber sheet that has been treated such as sewing and opening. At this time, the impregnating property is improved by maintaining the fiber orientation of the suture and also the region of the suture as a resin inflow path even for an ultraviolet curable resin having a high viscosity. Further, by opening the fiber bundle, the resin flows into the periphery of the fiber bundle to improve the adhesiveness. By selecting a resin that cures in response to ultraviolet rays of a certain wavelength, there is no restriction on the working environment. The reinforced fiber sheet is dry, and the management cost can be kept lower than that of the prepreg by storing the resin in a tube or the like. In this way, a wet (resin is uncured) UV curable resin prepreg is produced. After laminating a plurality of the prepregs, pressurization is performed at room temperature using a hand roller or a press, and air between layers is expelled and adhered. Finally, by irradiating ultraviolet rays to cure the resin, an ultraviolet curable resin laminated composite structure can be manufactured very quickly and at low cost.

本発明は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂と連続強化繊維シートを利用する樹脂プリプレグの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、縫合処理および開繊等処理が施された連続強化繊維シートにより特別な設備を用いることが無く低コスト成型が可能な樹脂プリプレグの製造方法に係るものである。
本発明に得られる熱可塑性樹脂プリプレグ又は熱硬化性樹脂プリプレグにより成形される複合材料は自動車用材料、建築材料、航空機材料、電機材料などとして使用することができる。
さらに、具体的な産業上の利用可能性について述べる。特に、本発明の実施例で得られたポリカーボネート炭素繊維強化複合材料の場合、基材の一つであるポリカーボネート樹脂は耐衝撃性に極めて優れ、軽量であり耐候性や寸法精度にも優れ、且つリサイクルが可能な低コストエンジニアリングプラスチックである。このため自動車のバンパへの適用が考えられる。さらに、航空機に利用される複合材料用の炭素繊維など強化繊維の種類によっては剛性をアルミ程度に高める事が可能であり、自動車を含め輸送機器のリサイクルが可能な構造部材としての適用が考えられる。また、樹脂が耐衝撃性に優れることから、宇宙構造物のデブリバンパへの適用、防弾盾等の対衝撃構造、シェルター等の外壁、さらに金庫等の構造材としての適用が考えられる。
The present invention relates to a method for producing a resin prepreg using a thermoplastic resin or a thermosetting resin and a continuous reinforcing fiber sheet. More specifically, the present invention relates to a method for producing a resin prepreg that can be molded at low cost without using special equipment by a continuous reinforcing fiber sheet subjected to a stitching process, a fiber opening process, and the like.
The thermoplastic resin prepreg or the composite material formed by the thermosetting resin prepreg obtained in the present invention can be used as an automobile material, a building material, an aircraft material, an electrical material, or the like.
Furthermore, specific industrial applicability is described. In particular, in the case of the polycarbonate carbon fiber reinforced composite material obtained in the examples of the present invention, the polycarbonate resin as one of the base materials is extremely excellent in impact resistance, lightweight, excellent in weather resistance and dimensional accuracy, and It is a low-cost engineering plastic that can be recycled. For this reason, it can be applied to automobile bumpers. Furthermore, depending on the type of reinforcing fiber such as carbon fiber for composite materials used in aircraft, the rigidity can be increased to the level of aluminum, and it can be applied as a structural member that can recycle transportation equipment including automobiles. . In addition, since the resin is excellent in impact resistance, it can be applied to a debris bumper of a space structure, an anti-shock structure such as a bulletproof shield, an outer wall such as a shelter, and a structural material such as a safe.

本発明に係る縫合処理が施された炭素繊維シートを示す写真である。It is a photograph which shows the carbon fiber sheet to which the suturing process concerning this invention was given. 本発明に係る縫合処理および開繊等処理が施された連続強化繊維シートを示す写真である。It is a photograph which shows the continuous reinforcement fiber sheet in which the stitching process and the fiber opening process, etc. according to the present invention were performed. 本発明に係る縫合処理および開繊等処理が施された連続強化繊維シートを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the continuous reinforcement fiber sheet | seat in which the sewing process and opening process, etc. which concern on this invention were given. 本発明の実施例であるポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの製造方法を実施する設備の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the equipment which enforces the manufacturing method of the polycarbonate * carbon fiber prepreg which is an Example of this invention. 本発明の樹脂プリプレグの製造方法で得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを示す写真である。It is a photograph which shows the polycarbonate carbon fiber prepreg obtained with the manufacturing method of the resin prepreg of this invention. 本発明の実施例で得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの縫合糸周辺の拡大写真である。It is an enlarged photograph around the suture thread of the polycarbonate carbon fiber prepreg obtained in the example of the present invention. 本発明の製造方法で得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの縫合糸周辺および縫合糸周辺断面を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the suture periphery of a polycarbonate carbon fiber prepreg obtained with the manufacturing method of this invention, and a suture periphery periphery. 連続強化繊維シートに樹脂を加圧含浸する加圧プロセスを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the pressurization process which pressurizes and impregnates a continuous reinforcement fiber sheet with resin. 本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの静的引張試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the static tensile test of the polycarbonate carbon fiber prepreg concerning the present invention. 本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの圧縮試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the compression test of the polycarbonate carbon fiber prepreg which concerns on this invention. 本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの曲げ試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the bending test of the polycarbonate carbon fiber prepreg which concerns on this invention. 本発明に係るポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの落錘衝撃試験後の観察結果を示す写真である。It is a photograph which shows the observation result after the falling weight impact test of the polycarbonate carbon fiber prepreg according to the present invention. 上記連続強化繊維シートにエポキシ樹脂を含浸させたエポキシ・炭素繊維プリプレグについて、62.5Jの落錘衝撃試験後の変形状態を示す写真である。It is a photograph which shows the deformation | transformation state after a falling weight impact test of 62.5J about the epoxy carbon fiber prepreg which impregnated the said continuous reinforcement fiber sheet with the epoxy resin. それぞれの(エネルギー換算:12J,36J,70J)衝撃試験時の荷重・エネルギー履歴を示すグラフである。It is a graph which shows the load and energy log | history at the time of each (energy conversion: 12J, 36J, 70J) impact test. 本発明の樹脂プリプレグの製造方法を高強度・高弾性炭素繊維に適用することにより得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグの内部観察結果を示す写真である。It is a photograph which shows the internal observation result of the polycarbonate carbon fiber prepreg obtained by applying the manufacturing method of the resin prepreg of this invention to high strength and highly elastic carbon fiber. 加圧力および成形温度が樹脂プリプレグの厚さに与える影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence which pressurization force and molding temperature have on the thickness of a resin prepreg. 本発明の実施例により得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグと成形状態を比較するために、開繊処理のみが施された炭素繊維シートを示す写真である。It is a photograph which shows the carbon fiber sheet to which only the fiber-opening process was performed in order to compare a polycarbonate and carbon fiber prepreg obtained by the Example of this invention, and a shaping | molding state. 開繊処理のみの炭素繊維シートとポリカーボネートシートにより同じ樹脂含浸方法でプリプレグを製作したもの(未含浸部が多数発生)を示す写真である。It is a photograph which shows what produced the prepreg by the same resin impregnation method with the carbon fiber sheet and polycarbonate sheet of only the fiber opening process (a lot of unimpregnated parts generate | occur | produced). 本発明の実施例で得られたポリカーボネート・炭素繊維プリプレグを積層して加熱・加圧により製造したポリカーボネート・炭素繊維直交異方性複合材料積層板を示す外観写真である。It is an external appearance photograph which shows the polycarbonate and carbon fiber orthotropic composite-material laminated board manufactured by laminating | stacking the polycarbonate and carbon fiber prepreg obtained in the Example of this invention, and heating and pressurizing. 本実施例で得られたポリカーボネート・炭素繊維直交異方性複合材料積層板の断面部を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the cross-sectional part of the polycarbonate carbon fiber orthotropic composite material laminate obtained in this example.

符号の説明Explanation of symbols

1 炭素繊維シート
2 耐熱糸
3 縫合処理および開繊等処理済み炭素繊維シート
4 ポリカーボネートシート
5 スペーサー
6 上部加熱・加圧板
7 下部加熱・加圧板
10 連続強化繊維シート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon fiber sheet 2 Heat resistant thread 3 Carbon fiber sheet processed by stitching and fiber opening 4 Polycarbonate sheet 5 Spacer 6 Upper heating / pressurizing plate 7 Lower heating / pressurizing plate 10 Continuous reinforcing fiber sheet

Claims (38)

繊維シートの繊維間にマトリクス樹脂を加圧含浸させることから成る樹脂プリプレグの製造方法であって、前記繊維シートに対し、繊維の配向と交差する方向に縫い糸を縫合する縫合処理、並びに繊維に塗布された薬剤を除去し繊維束を開繊する開繊等処理を施すことを特徴とする樹脂プリプレグの製造方法。   A method for producing a resin prepreg comprising pressurizing and impregnating a matrix resin between fibers of a fiber sheet, wherein the fiber sheet is stitched with a sewing thread in a direction crossing the fiber orientation, and applied to the fiber. A process for producing a resin prepreg, characterized by performing a treatment such as opening to remove the applied drug and open the fiber bundle. 前記開繊等処理において、前記繊維シートと前記マトリクス樹脂との接着性を向上させるために、界面制御効果が得られるカップリング剤を新たに繊維表面に付着させる請求項1に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   2. The resin prepreg according to claim 1, wherein a coupling agent capable of obtaining an interface control effect is newly attached to the fiber surface in order to improve adhesion between the fiber sheet and the matrix resin in the fiber opening treatment or the like. Production method. 前記繊維シートは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はセラミック繊維等の強化繊維を一方向に引き揃えシート状にした組成物に対し前記縫合処理および前記開繊等処理を施すことにより連続強化繊維シートとなる請求項1又は2に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The fiber sheet is continuously reinforced by subjecting the composition in which reinforcing fibers such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or ceramic fiber are aligned in one direction to form a sheet, and performing the stitching process and the opening process. The manufacturing method of the resin prepreg of Claim 1 or 2 used as a fiber sheet. 前記連続強化繊維シートは、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合樹脂により複合化され補強基材として使用される樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から3の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The continuous reinforcing fiber sheet is a continuous fiber sheet for resin reinforcement that is combined with a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a mixed resin of a thermoplastic resin and a thermosetting resin and used as a reinforcing substrate. The manufacturing method of the resin prepreg in any one of 1-3. 前記連続強化繊維シートは、高強度・高剛性かつ前記マトリクス樹脂の溶融点より高い耐熱性を有する縫い糸によって前記縫合処理が施された樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から4の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   5. The continuous fiber sheet for resin reinforcement, wherein the continuous reinforcing fiber sheet is a continuous fiber sheet for resin reinforcement that has been subjected to the sewing process with a sewing thread having high strength, high rigidity, and heat resistance higher than the melting point of the matrix resin. The manufacturing method of the resin prepreg of description. 前記縫い糸は、ノーメックス、コーネックス、パイロメックス、ラステックス、ザイロン、又はベクトラン等の高強度・高剛性の耐熱糸である請求項5に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The method for producing a resin prepreg according to claim 5, wherein the sewing thread is a high-strength, high-rigidity heat-resistant thread such as Nomex, Conex, Pyromex, Lastex, Zylon, or Vectran. 前記連続強化繊維シートは、前記マトリクス樹脂の粘度および該樹脂の含浸時間に応じて決定される縫い目長さ、縫合長さ、及び縫合間隔によって繊維の配向方向と交差する方向に前記耐熱糸を縫合する縫合処理が施された樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から6の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The continuous reinforcing fiber sheet sews the heat-resistant yarn in a direction crossing the fiber orientation direction by a stitch length, a stitching length, and a stitching interval determined according to the viscosity of the matrix resin and the impregnation time of the resin. The method for producing a resin prepreg according to any one of claims 1 to 6, which is a continuous fiber sheet for resin reinforcement subjected to a suturing process. 前記連続強化繊維シートは、前記縫合処理を施すことにより、繊維がばらけることを防止するサイジング剤を除去した後にもハンドリング性を維持した樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から7の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The continuous reinforcing fiber sheet is a continuous fiber sheet for resin reinforcement that maintains handling properties even after removing a sizing agent that prevents the fibers from being loosened by performing the stitching process. A method for producing a resin prepreg according to claim 1. 前記連続強化繊維シートは、前記縫合処理を施すことにより、前記マトリクス樹脂を加圧含浸する際に、開繊した繊維シートの繊維配向の乱れを抑制し、且つ縫合部が樹脂流入経路となることにより前記樹脂の含浸性を向上させる樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から8の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the continuous reinforcing fiber sheet is subjected to the suturing treatment, when the matrix resin is pressure-impregnated, the fiber orientation of the opened fiber sheet is suppressed, and the stitched portion becomes a resin inflow path. The method for producing a resin prepreg according to claim 1, wherein the resin reinforced continuous fiber sheet improves the resin impregnation property. 前記連続強化繊維シートは、前記縫合処理が施された後の前記開繊等処理において、含浸させようとする前記マトリクス樹脂に応じた接着性及びぬれ性を改善するために、繊維表面に界面制御効果が得られるカップリング剤が添加された樹脂強化用連続繊維シートである請求項1から9の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The continuous reinforcing fiber sheet has an interface control on the fiber surface in order to improve the adhesion and wettability according to the matrix resin to be impregnated in the fiber opening treatment after the stitching treatment is performed. The method for producing a resin prepreg according to any one of claims 1 to 9, which is a continuous fiber sheet for resin reinforcement to which a coupling agent capable of obtaining an effect is added. 前記カップリング剤として、シラン系、チタネート系、アルミネート系、ジルコネート系等の何れかのカップリング剤を、含浸させようとする樹脂に応じて繊維表面に添加する請求項10に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The resin prepreg according to claim 10, wherein any one of a coupling agent such as a silane, titanate, aluminate, or zirconate is added to the fiber surface as the coupling agent depending on the resin to be impregnated. Manufacturing method. 前記マトリクス樹脂が熱可塑性樹脂シートの場合、前記連続強化繊維シートの片面または両面に該熱可塑性樹脂シートを配置して該樹脂シートを加熱溶融させて繊維間に加圧含浸させる請求項1から11の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the matrix resin is a thermoplastic resin sheet, the thermoplastic resin sheet is disposed on one side or both sides of the continuous reinforcing fiber sheet, the resin sheet is heated and melted, and pressure impregnated between the fibers. The manufacturing method of the resin prepreg in any one of. 前記連続強化繊維シートの片面または両面に前記熱可塑性樹脂シートを配置して該樹脂シートを加熱溶融させて繊維間に加圧含浸させる際に、その加圧圧力の昇圧を、前記樹脂の粘度ならびに前記強化繊維シートの前記縫合処理および前記開繊等処理の条件に対応したタイミングで段階的に行う請求項12に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the thermoplastic resin sheet is disposed on one or both sides of the continuous reinforcing fiber sheet and the resin sheet is heated and melted and pressure impregnated between the fibers, the pressure is increased by increasing the viscosity of the resin and The method for producing a resin prepreg according to claim 12, wherein the method is performed stepwise at a timing corresponding to the conditions of the stitching process and the fiber opening process of the reinforcing fiber sheet. 前記連続強化繊維シートの片面または両面に前記熱可塑性樹脂シートを配置して該樹脂シートを加熱溶融させて加圧含浸させた後に、生成された成形物に対し最適な方法でアニーリング処理を行う請求項12又は13に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   Claims: The thermoplastic resin sheet is disposed on one or both sides of the continuous reinforcing fiber sheet, the resin sheet is heated and melted and subjected to pressure impregnation, and then the formed product is annealed by an optimum method. Item 14. A method for producing a resin prepreg according to Item 12 or 13. 前記熱可塑性樹脂シートの溶融時における粘度が低い場合は、前記連続強化繊維シートを前記熱可塑性樹脂シートで挟み、これを一単位として繊維の配向を交互に変えながら積層して加熱および加圧することにより、熱可塑性樹脂複合材料積層板を製造することが出来る請求項12から14の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the thermoplastic resin sheet has a low viscosity at the time of melting, the continuous reinforcing fiber sheet is sandwiched between the thermoplastic resin sheets, and this is used as a unit and laminated while alternately changing the fiber orientation, and heated and pressurized. The method for producing a resin prepreg according to any one of claims 12 to 14, wherein a thermoplastic resin composite material laminate can be produced by the method described above. 前記熱可塑性樹脂は、塩化ビニル、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルホン、又はポリエーテルエーテルケトンの何れかである請求項12から15の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The thermoplastic resin is any one of vinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS), polyethylene, polypropylene, polyamide, polyacetal, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyimide, polyphenylene sulfide, polyethersulfone, or polyetheretherketone. The method for producing a resin prepreg according to any one of claims 12 to 15. 前記マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂の場合、前記縫合処理および前記開繊等処理が施された前記連続強化繊維シートに該熱硬化性樹脂を圧入して繊維間に含浸・硬化させることから成る請求項1から11の何れかに記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the matrix resin is a thermosetting resin, the thermosetting resin is press-fitted into the continuous reinforcing fiber sheet that has undergone the stitching process and the fiber opening process, and is impregnated and cured between the fibers. Item 12. A method for producing a resin prepreg according to any one of Items 1 to 11. 前記マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂の場合、前記縫合処理および前記開繊等処理が施された前記連続強化繊維シートに該熱硬化性樹脂を真空圧入して繊維間に含浸・硬化させることから成る請求項17に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   When the matrix resin is a thermosetting resin, the thermosetting resin is vacuum-pressed into the continuous reinforcing fiber sheet that has undergone the stitching process and the fiber opening process to impregnate and cure between the fibers. The manufacturing method of the resin prepreg of Claim 17. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、マレイミド樹脂、又はこれらが混合された熱硬化性樹脂の何れかである請求項17又は18に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The thermosetting resin may be epoxy resin, phenol resin, unsaturated polyester resin, urethane resin, urethane acrylate resin, vinyl ester resin, cyanate ester resin, phenoxy resin, alkyd resin, maleimide resin, or a mixture of these. The method for producing a resin prepreg according to claim 17, wherein the method is a curable resin. 前記連続強化繊維シートは、前記縫合処理を施すことにより、マトリクス樹脂として紫外線硬化樹脂を加圧含浸する際に、開繊した繊維シートの繊維配向の乱れを抑制し、且つ縫合部が樹脂流入経路となることにより前記樹脂の含浸性を向上させる紫外線硬化樹脂強化用連続繊維シートである請求項17又は18に記載の樹脂プリプレグの製造方法。   The continuous reinforcing fiber sheet is subjected to the suturing treatment to suppress disorder of fiber orientation of the opened fiber sheet when pressure-impregnated with UV curable resin as a matrix resin, and the stitched portion is a resin inflow route. The method for producing a resin prepreg according to claim 17 or 18, which is a continuous fiber sheet for reinforcing an ultraviolet curable resin that improves the impregnation property of the resin. 繊維シートの繊維間にマトリス樹脂を加圧含浸する際に、開繊した繊維シートの繊維配向の乱れを抑制するために、マトリクス樹脂の溶融点よりも高い耐熱性を有する糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されたことを特徴とする樹脂プリプレグ用繊維シート。   When pressure-impregnating Matris resin between the fibers of the fiber sheet, in order to suppress disturbance of the fiber orientation of the opened fiber sheet, the fiber orientation and the yarn having heat resistance higher than the melting point of the matrix resin A fiber sheet for a resin prepreg, which is stitched in an intersecting direction. 前記糸が繊維間を貫通する縫合部が、前記マトリクス樹脂の流入経路となることにより、該マトリクス樹脂の含浸性を向上させる請求項21に記載の樹脂プリプレグ用繊維シート。   The fiber sheet for a resin prepreg according to claim 21, wherein a stitched portion through which the yarn passes between fibers serves as an inflow path of the matrix resin, thereby improving the impregnation property of the matrix resin. 前記糸が、高強度かつ高剛性である請求項21又は22に記載の樹脂プリプレグ用繊維シート。   The fiber sheet for resin prepreg according to claim 21 or 22, wherein the yarn has high strength and high rigidity. 前記繊維シートが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はセラミック繊維等の強化繊維である請求項21から23の何れかに記載の樹脂プリプレグ用繊維シート。   The fiber sheet for resin prepreg according to any one of claims 21 to 23, wherein the fiber sheet is a reinforcing fiber such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or ceramic fiber. 前記繊維シートが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合樹脂により複合化され補強基材として使用される請求項21から24の何れかに記載の樹脂プリプレグ用繊維シート。   The fiber sheet according to any one of claims 21 to 24, wherein the fiber sheet is combined with a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an ultraviolet curable resin, or a mixed resin of a thermoplastic resin and a thermosetting resin and used as a reinforcing substrate. The fiber sheet for resin prepregs described in 1. 繊維がばらけることを防止するサイジング剤を除去した後にもハンドリング性を維持するために、前記糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されている請求項21から25の何れかに記載の樹脂プリプレグ用繊維シート。   The resin according to any one of claims 21 to 25, wherein the resin is sewn in a direction crossing the fiber orientation in order to maintain handling properties even after removal of a sizing agent that prevents the fiber from being loosened. Fiber sheet for prepreg. 繊維シートの繊維間にマトリス樹脂を加圧含浸する際に、開繊した繊維シートの繊維配向の乱れを抑制するために、マトリクス樹脂の溶融点よりも高い耐熱性を有する糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されたことを特徴とする樹脂プリプレグ。   When pressure-impregnating Matris resin between the fibers of the fiber sheet, in order to suppress disturbance of the fiber orientation of the opened fiber sheet, the fiber orientation and the yarn having heat resistance higher than the melting point of the matrix resin A resin prepreg which is sewn in a crossing direction. 前記糸が繊維間を貫通する縫合部が、前記マトリクス樹脂の流入経路となることにより、該マトリクス樹脂の含浸性を向上させる請求項27に記載の樹脂プリプレグ。   28. The resin prepreg according to claim 27, wherein the stitching portion through which the yarn penetrates between fibers serves as an inflow path of the matrix resin, thereby improving the impregnation property of the matrix resin. 前記糸が、高強度かつ高剛性である請求項27又は28に記載の樹脂プリプレグ。   The resin prepreg according to claim 27 or 28, wherein the yarn has high strength and high rigidity. 前記繊維シートが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はセラミック繊維等の強化繊維である請求項27から29の何れかに記載の樹脂プリプレグ。   The resin prepreg according to any one of claims 27 to 29, wherein the fiber sheet is a reinforced fiber such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or ceramic fiber. 前記繊維シートが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合樹脂により複合化され補強基材として使用される請求項27から30の何れかに記載の樹脂プリプレグ。   31. The fiber sheet according to claim 27, wherein the fiber sheet is combined with a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an ultraviolet curable resin, or a mixed resin of a thermoplastic resin and a thermosetting resin and used as a reinforcing substrate. The resin prepreg described in 1. 繊維がばらけることを防止するサイジング剤を除去した後にもハンドリング性を維持するために、前記糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されている請求項27から31の何れかに記載の樹脂プリプレグ。   The resin according to any one of claims 27 to 31, wherein the resin is sewn in a direction crossing the fiber orientation with the yarn in order to maintain the handling property even after the removal of the sizing agent that prevents the fiber from separating. Prepreg. 繊維シートの繊維間にマトリス樹脂を加圧含浸する際に、開繊した繊維シートの繊維配向の乱れを抑制するために、マトリクス樹脂の溶融点よりも高い耐熱性を有する糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されたことを特徴とする複合材料。   When pressure-impregnating Matris resin between the fibers of the fiber sheet, in order to suppress disturbance of the fiber orientation of the opened fiber sheet, the fiber orientation and the yarn having heat resistance higher than the melting point of the matrix resin A composite material characterized by being sewn in a crossing direction. 前記糸が繊維間を貫通する縫合部が、前記マトリクス樹脂の流入経路となることにより、該マトリクス樹脂の含浸性を向上させる請求項33に記載の複合材料。   34. The composite material according to claim 33, wherein a stitching portion through which the yarn penetrates between fibers serves as an inflow path of the matrix resin, thereby improving the impregnation property of the matrix resin. 前記糸が、高強度かつ高剛性である請求項33又は34に記載の複合材料。   The composite material according to claim 33 or 34, wherein the yarn has high strength and high rigidity. 前記繊維シートが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はセラミック繊維等の強化繊維である請求項33から35の何れかに記載の複合材料。   36. The composite material according to claim 33, wherein the fiber sheet is a reinforcing fiber such as carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or ceramic fiber. 前記繊維シートが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合樹脂により複合化され補強基材として使用される請求項33から36の何れかに記載の複合材料。   37. The fiber sheet according to claim 33, wherein the fiber sheet is combined with a thermoplastic resin, a thermosetting resin, an ultraviolet curable resin, or a mixed resin of a thermoplastic resin and a thermosetting resin and used as a reinforcing base material. The composite material described in 1. 繊維がばらけることを防止するサイジング剤を除去した後にもハンドリング性を維持するために、前記糸で繊維の配向と交差する方向に縫合されている請求項33から37の何れかに記載の複合材料。   38. The composite according to any one of claims 33 to 37, wherein the yarn is sewn in a direction crossing the fiber orientation in order to maintain handling properties even after removal of a sizing agent that prevents the fiber from being loosened. material.
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