JP2008208343A - 切込プリプレグ基材、積層基材、繊維強化プラスチック、および切込プリプレグ基材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な流動性、複雑な形状の成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、構造材に適用可能な優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材を提供する。
【解決手段】プリプレグ基材は、一方向に引き揃えられた強化繊維と第1及び第2のマトリックス樹脂とからなり、その全面に強化繊維を横切る方向へ切り込みが複数設けられており、実質的にすべての強化繊維の前記切り込みにより分断され、その繊維長さLが10〜100mm、切込幅Wが1〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、前記プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、配置されている。
【選択図】なし
【解決手段】プリプレグ基材は、一方向に引き揃えられた強化繊維と第1及び第2のマトリックス樹脂とからなり、その全面に強化繊維を横切る方向へ切り込みが複数設けられており、実質的にすべての強化繊維の前記切り込みにより分断され、その繊維長さLが10〜100mm、切込幅Wが1〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、前記プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、配置されている。
【選択図】なし
Description
本発明は、良好な流動性、成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、構造材に適用可能な優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、およびその製造方法、ならびに該プリプレグ基材の積層基材に関する。さらに詳しくは、例えば自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材であるプリプレグ基材、およびその製造方法、ならびに該プリプレグ基材の積層基材に関する。
強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することなどから産業用途においても注目され、その需要は年々高まりつつある。
高機能特性を有する繊維強化プラスチックの成形方法としては、プリプレグと称される連続した強化繊維にマトリックス樹脂を含浸せしめた半硬化状態の中間基材を積層し、高温高圧釜で加熱加圧することによりマトリックス樹脂を硬化させ繊維強化プラスチックを成形するオートクレーブ成形が最も一般的に行われている。また、近年では生産効率の向上を目的として、あらかじめ部材形状に賦形した連続繊維基材にマトリックス樹脂を含浸および硬化させるRTM(レジントランスファーモールディング)成形等も行われている。これらの成形法により得られた繊維強化プラスチックは、連続繊維である所以優れた力学物性を有する。また、連続繊維は規則的な配列であるため、基材の配置により必要とする力学物性に設計することが可能であり、力学物性のバラツキも小さい。しかしながら、一方で連続繊維である所以3次元形状等の複雑な形状を形成することは難しく、主として平面形状に近い部材に限られる。
3次元形状等の複雑な形状に適した成形方法として、SMC(シートモールディングコンパウンド)成形等がある。SMC成形は、通常25mm程度に切断したチョップドストランドに熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂を含浸せしめ半硬化状態としたSMCシートを、加熱型プレス機を用いて加熱加圧することにより成形を行う。多くの場合、加圧前にSMCシートを成形体の形状より小さく切断して成形型上に配置し、加圧により成形体の形状に引き伸ばして(流動させて)成形を行う。そのため、その流動により3次元形状等の複雑な形状にも追従可能となる。しかしながら、SMCはそのシート化工程において、チョップドストランドの分布ムラ、配向ムラが必然的に生じてしまうため、力学物性が低下し、あるいはその値のバラツキが大きくなってしまう。さらには、そのチョップドストランドの分布ムラ、配向ムラにより、特に薄物の部材ではソリ、ヒケ等が発生しやすくなり、構造材としては不適な場合がある。
上述のような材料の欠点を埋めるべく、連続繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグに切り込みを入れることにより、流動可能で力学物性のバラツキも小さくなるとされる基材が開示されている(例えば特許文献1、2)。しかしながら、SMCと比較すると力学特性が大きく向上し、バラツキが小さくなるものの、構造材として適用するには十分な強度とは言えない。連続繊維基材と比較すると切り込みという欠陥を内包した構成であるために、応力集中点である切り込みが破壊の起点となり、特に引張強度、引張疲労強度が低下する、という問題があった。
特開昭63−247012号公報
特開平9−254227号公報
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、良好な流動性、複雑な形状の成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、構造材に適用可能な優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、およびその製造方法、ならびに該プリプレグ基材の積層基材を提供することにある。
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
(1)一方向に引き揃えられた強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とからなるプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に強化繊維を横切る方向へ断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、実質的にすべての強化繊維が前記切り込みにより分断され、前記切り込みにより分断された強化繊維の繊維長さLが10〜100mm、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが30μm〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、前記プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、プリプレグ基材厚みHに対して前記切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込み投影長さWsに対して繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されている切込プリプレグ基材。
(1)一方向に引き揃えられた強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とからなるプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に強化繊維を横切る方向へ断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、実質的にすべての強化繊維が前記切り込みにより分断され、前記切り込みにより分断された強化繊維の繊維長さLが10〜100mm、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが30μm〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、前記プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、プリプレグ基材厚みHに対して前記切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込み投影長さWsに対して繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されている切込プリプレグ基材。
(2)前記第2のマトリックス樹脂の形態がフィルム状、または不織布状であり、かつ、前記第2のマトリックス樹脂が強化繊維により形成される層内に入りこまずにプリプレグ基材表面上に層状に配置されている(1)に記載の切込プリプレグ基材。
(3)前記投影長さWsが30μm〜1.5mmの範囲内である、(1)または(2)に記載の切込プリプレグ基材。
(4)前記投影長さWsが1〜50mmの範囲内である、(1)または(2)に記載の切込プリプレグ基材。
(5)前記切り込みが繊維直交方向から傾いている、(1)〜(4)のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
(6)前記強化繊維が炭素繊維である、(1)〜(5)のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
(7)前記第1のマトリックス樹脂がエポキシ樹脂であり、かつ、前記第2のマトリックス樹脂がポリアミド樹脂である、(1)〜(6)のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
(8)(1)〜(7)にいずれか記載の切込プリプレグ基材を少なくとも一部に有してなる積層基材であって、強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材が複数枚積層され、前記強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材が、該プリプレグ基材の繊維方向が少なくとも2方向以上に配向して一体化されている積層基材。
(9)前記積層基材が(1)〜(7)にいずれか記載の切込プリプレグ基材のみからなり、前記プリプレグ基材が擬似等方に積層されてなる積層基材。
(10)(8)または(9)の積層基材を成形して得られる繊維強化プラスチック。
(11)強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層を2層以上含む積層構造を有する繊維強化プラスチックであって、前記繊維強化プラスチックの繊維体積含有率Vfは45〜65%の範囲内であり、かつ、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上をなしており、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の少なくとも1層は、全面が繊維長さLが10〜100mmの範囲内の強化繊維により構成され、層を厚み方向に貫く繊維束端部を複数有し、かつ、該層と該層に隣接する層の間に前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が該層内に入りこまずに層状に配置されている層間補強部を少なくとも一層配置されており、該層間補強部は、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の厚みHに対して前記繊維束端部から繊維方向の両方向にH〜100Hの範囲内にある繊維強化プラスチック。
(12)(1)〜(7)のいずれかに記載の切込プリプレグ基材の製造方法であって、強化繊維を一方向に引き揃えて第1のマトリックス樹脂を含浸して予備プリプレグ基材を準備し、前記予備プリプレグ基材に貫層した切り込みを入れた後、前記予備プリプレグ基材の表面上に層状に前記第2のマトリックス樹脂を配置して、前記切り込み部を第2のマトリックス樹脂で覆う切込プリプレグ基材の製造方法。
(13)前記予備プリプレグ基材に貫層した切り込みを入れる手段が、所定の位置に刃を配置した回転刃ローラーを押し当てるものである(12)に記載の切込プリプレグ基材の製造方法。
(14)前記第2のマトリックス樹脂を配置する手段が、プリプレグ基材厚みHに対して前記切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込みの投影長さWsに対して繊維垂直方向に0.8Ws〜2Wsの寸法に裁断されたシート状の第2のマトリックス樹脂を、前記切り込み部を覆う位置に予め配置した予備シートを用いて貼り付けるものである(12)または(13)に記載の切込プリプレグ基材の製造方法。
本発明によれば、良好な流動性、複雑な形状の成形を有し、繊維強化プラスチックとした場合、構造材に適用可能な優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、およびその製造方法、ならびに該プリプレグ基材の積層基材を得ることができる。
本発明者らは、良好な流動性、複雑な形状の成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材を得るため、鋭意検討し、プリプレグ基材として、一方向に引き揃えられた強化繊維と第1のマトリックス樹脂から構成されるプリプレグ基材という特定の基材に特定な切り込みパターンを挿入し、かつ、特定の性質を有する第2のマトリックスを切り込み部に局所的に配して、該プリプレグ基材を積層し、加圧成形することにより、かかる課題を一挙に解決することを究明したのである。なお、本発明において用いるプリプレグ基材には、一方向に引き揃えられた強化繊維や強化繊維基材に樹脂が完全に含浸した基材に加え、樹脂シートが繊維内に完全に含浸していない状態で一体化した樹脂半含浸基材(セミプレグ)も含む。
本発明に係るプリプレグ基材は、強化繊維が一方向に引き揃えられているので、繊維方向の配向制御により任意の力学物性を有する成形体の設計が可能となる。なお、本明細書では、特に断らない限り、繊維あるいは繊維を含む用語(例えば“繊維方向”等)において、繊維とは強化繊維を表すものとする。
さらに、本発明のプリプレグ基材は、全面に強化繊維を横切る方向へ断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、実質的にすべての強化繊維が切り込みにより分断され、切り込みにより分断された強化繊維の繊維長さLが10〜100mm、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが30μm〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、マトリックス樹脂が第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とからなり、第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、プリプレグ基材厚みHに対して切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込み投影長さWsに対して繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されている。なお、本発明において“実質的にすべての強化繊維が切り込みにより分断され”とは、本発明の切り込みにより分断されていない連続繊維が引き揃えられている面積が、プリプレグ基材面積に占める割合の5%より小さいことを示す。また、本発明において、“切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWs”とは図1に示すとおり、切り込みを強化繊維の垂直方向(繊維直交方向2)を投影面として、切り込みから該投影面に垂直(繊維長手方向1)に投影した際の長さを指す。
ここで言う“繊維方向の両方向”とは、例えば図4に示すように、切り込み4を境として繊維長手方向1に沿った上方向と下方向を意味する。また、本発明で規定する“繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されている”とは、前記切り込みの長さの中心(例えば、図4の8)を通り、繊維方法に平行な直線を軸として繊維直交方向の両方向に0.4Ws〜Wsの範囲内に配置されていることを意味する。図4で示すような曲線状の切り込み4の場合は、まず繊維直交方向には、切り込み自体の長さ中心8から±0.4Ws以上(13)、±Wsの以下(14)が第2のマトリックスの配置されうる領域の最外境界となる。繊維方向には、切り込みの幾何形状をそのまま、H〜100Hオフセットしたラインが第2のマトリックスの配置されうる領域の最外境界となる。ただし、繊維直交方向の±0.5Ws〜Wsの領域は切り込み端部から接線接合する直線を延長し、切り込みの長さ中心から繊維直交方向に0.5Ws〜Wsの範囲内にある線分15を基準に繊維方向にH〜100Hオフセットして、領域を決定する。図4の場合は、第2のマトリックスの最小配置領域が点線16で示され、最大配置領域が点線17で示される。図5a)〜c)に示すように、前述の範囲内であれば、第2のマトリックスの配置形状は矩形でも平行四辺形でも切り込み形状に沿っていても何でもよく、同一基材内であっても切り込みによって異なっていてもよい。また、切り込みが列となって並んでいる場合、隣り合う切り込みも含めて第2のマトリックス樹脂で覆うために、横一線に配置してもよい。
本発明において、繊維長さLとは、例えば図1に示すように、任意の切り込みと、任意の切り込みと同等のWsを有する繊維方向に最近接の切り込み(対になる切り込み)とにより分断される繊維の長さを指している。プリプレグ基材の全面に切り込みが挿入され、基材中の強化繊維の繊維長さLをすべて100mm以下とすることにより、成形時に繊維は流動可能、特に繊維長手方向にも流動可能となり、複雑な形状の成形追従性にも優れる。該切り込みがない場合、すなわち連続繊維のみの場合、繊維長手方向には流動しないため、複雑形状を形成することは出来ない。繊維長さLを10mm未満にすると、さらに流動性が向上するが、他の用件を満たしても構造材として必要な高力学特性は得られない。流動性と力学特性との関係を鑑みると、さらに好ましくは20〜60mmの範囲内である。対になる切り込み以外に切り込まれて分断される繊維長さLより短い繊維も存在するが、10mm以下の繊維は少なければ少ないほどよい。さらに好ましくは、10mm以下の繊維が引き揃えられている面積が、プリプレグ基材面積に占める割合の5%より小さいのがよい。
繊維体積含有率Vfは65%以下で十分な流動性を得ることができる。Vfが低いほど流動性は向上するが、Vfが45%以下となると、構造材に必要な高力学特性は得られない。流動性と力学特性との関係を鑑みると、さらに好ましくは55〜60%の範囲内である。
切り込みの長さについては、強化繊維をどれだけ分断しているか、すなわちプリプレグ基材面内において、切り込みを強化繊維と垂直方向に投影した長さWsが基準となる。プリプレグ基材を積層・成形してなる繊維強化プラスチックにおいて、切り込みにより生成された繊維束端部は、応力の伝達を阻害し、弾性率の低下や応力集中による破壊が起こる可能性が高い。したがって、分断した強化繊維の数が少ない方強度上有利である。また、プリプレグ基材を積層する際には、Wsが大きいほど、プリプレグ基材の剛性が落ちて取り扱い性が低下するため、Wsが50mm以下であるのが好ましい。しかしながら、Wsが30μm以下となると、切り込みの制御が難しく、プリプレグ基材全面に渡ってLが10〜100mmとなるよう、保障することが難しい。すなわち、切り込みにより切断されていない繊維が存在すると基材の流動性は著しく低下するが、多めに切り込みを入れるとLが10mmを下回る部位が出てきてしまう、という問題点がある。好ましくはWsを1mm以上とすることにより、簡易な装置で切り込みを挿入することができる。逆にWsが50mmより大きいときはプリプレグの分断される幅が大きくなり、取り扱い性が低くなる。さらに好ましくは、Wsが1.5mm以下であるときに、強度向上が著しい。すなわち、簡易な装置で切り込みを挿入することができるという観点からは、Wsは1〜50mmであることが好ましく、さらに好ましくは2〜25mmの範囲内である。一方、切り込みの制御のしやすさと力学特性との関係を鑑みると、Wsは30μm〜1.5mmであることが好ましく、さらに好ましくは50μm〜1mmの範囲内である。以降、断らない限り、本発明の全面に切り込みを有するプリプレグ基材を切込プリプレグ基材、貫層する切り込みにより分断された強化繊維群の端部を繊維束端部と記す。
以下、好ましい切り込みパターンの一例を、図1を用いて説明する。
強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材上に制御されて整列した切り込み4を複数入れる。繊維長手方向の対になる切り込み同士で繊維が分断され、その間隔6を10〜100mmとすることで、実質的に切込プリプレグ基材上の強化繊維すべてを繊維長さLが10〜100mmにすることができる。なお、“実質的に強化繊維のすべてが前記切り込みにより分断され”ているとは、切込プリプレグ基材に含まれる強化繊維本数のうち95%以上が10〜100mmに分断されていることを言う。図1では繊維長さLと切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsがいずれも一種類である例を示している。第1の断続的な切り込みからなる列7aと第3の断続的な切り込みからなる列7cは繊維長手方向にL平行移動することで重ねることができ、また、第2の断続的な切り込みからなる列7bと第4の断続的な切り込みからなる列7dは繊維長手方向にL平行移動することで重ねることができ。また、第1、第2の切り込みの列と第3、第4の切り込みの列に互いに切り込まれた繊維があり、繊維長さL以下に切り込まれた幅5が存在することによって、安定的に繊維長さを100mm以下で切込プリプレグ基材を製造できる。切り込みのパターンとしては図2のa)〜f)にいくつか例示したが、上記条件を満たせばどのようなパターンでも構わない。図2において、強化繊維の配列、第2のマトリックス樹脂の図示は省略されているが、強化繊維の配列方向は、図2において上下方向(垂直方向)である。なお、上記の各条件を満たせば、切り込みパターンはどのようなパターンでも構わない。なお、図2のa)、b)あるいはc)に示される本発明のプリプレグ基材は、切り込みが繊維直交方向に入っている態様、図2のd)、e)あるいはf)に示される本発明のプリプレグ基材は、切り込みが繊維直交方向から傾いている様態を示している。
さらに、マトリックス樹脂の90体積%以上を成す第1のマトリックス樹脂は、繊維間に含浸されており、第1のマトリックス樹脂よりも引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂は、図3に示すように切込プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上の切り込みを覆うように配されており、プリプレグ基材厚みHに対して切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込み投影長さWsに対して繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されているのがよい。ここで、切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内とは、前述のとおりである。
本発明の切込プリプレグ基材を積層・成形して得た繊維強化プラスチックにおいて、前述のように切り込みにより生成された繊維束端部において、応力集中による破壊が起こる可能性が高い。特に荷重方向から±10°程度に配向している繊維は荷重の多くを負担しているため、繊維束端部において、他層に荷重を伝達する経路、すなわち層間が破壊されることにより、著しく荷重低下し、それらの累積により最終破壊に至る。
さらに図を用いて詳しく説明する。図6a)には、前述の制御した切り込みを設けた切込プリプレグ基材で第2のマトリックスを付与していない切込プリプレグ基材を積層し成形した繊維強化プラスチックの、ある層の繊維束端部18付近をクローズアップした様子を示している。切り込みを入れたことにより、成形時に流動しやすくなり、繊維束端部18同士が分離する。そのため、繊維強化プラスチックの厚み方向の断面をみると、層の一部に繊維の欠落した部位が存在する場合がある。繊維の欠落した部位は完全に樹脂リッチとなるのではなく、隣接層がクリンプして領域を埋めており、隣接層の繊維で埋めきれない部位として、繊維束端部18をひとつの辺とする略三角形状の樹脂リッチ部20が形成される。
こうして得られた繊維強化プラスチックは繊維束端部18の周辺に応力集中が起こるため、隣接層19に損傷が集積しやすく、図6b)のように、他層から来たクラック23が層間剥離や繊維束端部18と略三角形の樹脂リッチ部20との分離を引き起こす。荷重を実質的に負担していた層の繊維束端部18が隣接層19への荷重伝達の経路を分断されたため、大きく荷重低下が起き、最終的に破壊にいたる。一方、本発明の繊維強化プラスチックを示した図7a)のように、繊維束端部18の層間部21に第1のマトリックスよりも引張伸度の高い第2のマトリックス11を配することで、隣接層19から来たクラックが第2のマトリックス部位11でクラック先端が丸くなる効果でクラック成長が止められ、層間剥離に進展しない。また、繊維束端部の側面部24からクラックが発生した場合も、層間剥離に進展しないため、図6のように第2のマトリックス11を配さない場合と比較して、大きく破壊強度が向上する。
第2のマトリックス樹脂の引張伸度としては第1のマトリックス樹脂よりも大きければ本発明の効果を奏するが、好ましくは2〜10倍であり、2〜50%の範囲内がよい。さらに好ましくは8〜20%の範囲内がよい。第1のマトリックスより引張伸度が大きいことにより、層間剥離が起こりにくくなる一方、樹脂の引張伸度が大きすぎると弾性率が低下する傾向があり、効果的に荷重を伝達できないことから繊維強化プラスチック全体の弾性率が低下する恐れがあるため、第2のマトリックス樹脂の付与量はマトリックス樹脂全体の10%未満であるのが好ましい。さらに、第2のマトリックス樹脂の引張強度が第1のマトリックス樹脂よりも大きい方が好ましい。すなわち、引張強度が高い方が樹脂割れであるクラックが発生しにくいため、第2のマトリックス樹脂は第1のマトリックス樹脂よりも強度が高いほどよい。さらに好ましくは1.5倍以上の強度を有することである。なお、樹脂の引張伸度と引張強度とは、JIS K7113(1995)、あるいは、ASTM D638(1997)に従い測定される。さらに好ましくは、第2のマトリックス樹脂の破壊靱性値が第1のマトリックス樹脂より大きいことである。樹脂の破壊靱性値は例えばASTM E399(1983)(コンパクト試験規格)で測定されるが、測定法により大きく値が異なるため、同一試験で比較した際の破壊靱性値が、例えば第1のマトリックス樹脂が100J/m2に対して第2のマトリックス樹脂が500J/m2、などのように、第1のマトリックス樹脂と比較して大きければ大きいほどよい。さらに好ましくは第1のマトリックス樹脂の破壊靱性値の3倍以上がよい。
他層からのクラックを受け止める第2のマトリックスの配置について、鋭意検討の結果、プリプレグ基材上において、繊維束端部から繊維方向にH以上、繊維直交方向に0.8H以上配されていれば大きく強度向上することがわかった。プリプレグ基材上で配された第2のマトリックス樹脂は切り込み形状全体を覆っていない場合も前記範囲内であれば、成形時に流動して繊維束端部の層間部分を覆うことが分かった。ただし、繊維束端部から繊維方向に100H、繊維直交方向に2Wより大きく配する場合には、必要以上に繊維体積含有率Vfが低下するため、弾性率の低下が大きくなり構造材として不適となる可能性がある。さらに好ましくは繊維方向に2H〜10Hの範囲内、繊維直交方向に0.9Ws〜1.1Wsの範囲内である。
本発明の切込プリプレグ基材に用いられる第2のマトリックス樹脂の形態は、フィルム状、または不織布状であるのが好ましい。また、第2のマトリックス樹脂の配置の仕方については、強化繊維が形成する層内に入り込まずプリプレグ基材表面上に層状に配置されているのがよい。強化繊維が形成する層内とは、あらかじめ第1のマトリックス樹脂を一方向に引き揃えた強化繊維中に含浸して得たプリプレグ基材を示す。第2のマトリックス樹脂はプリプレグ基材から大きく盛り上がって配されると積層時に嵩高となるため好ましくない。第2のマトリックスをあらかじめフィルム状、または不織布状に加工しておき、切り込みを覆うように層状に配するのがよい。この際、第2のマトリックスの層厚みは強化繊維単糸より大きく基材厚みHの半分より小さいのが好ましい。また、繊維束端部の側面部24に第2のマトリックスがなくても強度向上にはあまり影響しないため、第2のマトリックス層は単純にプリプレグ基材表面上に配するだけで十分強度が向上できる。したがって、非常に低コストに本発明の切込プリプレグ基材は製造できるという利点がある。以上の理由から、第2のマトリックス樹脂をプリプレグ基材の表面にのみ選択的に配したところが、本発明の大きな特徴のひとつである。
本発明の切込プリプレグ基材に用いられる強化繊維としては、例えば、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサドール(PBO)繊維などの有機繊維、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、玄武岩繊維、セラミックス繊維などの無機繊維、ステンレス繊維やスチール繊維などの金属繊維、その他、ボロン繊維、天然繊維、変性した天然繊維などを繊維として用いた強化繊維などが挙げられる。その中でも特に炭素繊維は、これら強化繊維の中でも軽量であり、しかも比強度および比弾性率において特に優れた性質を有しており、さらに耐熱性や耐薬品性にも優れていることから、軽量化が望まれる自動車パネルなどの部材に好適である。なかでも、高強度の炭素繊維が得られやすいPAN系炭素繊維が好ましい。
本発明の切込プリプレグ基材に用いられるマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリアミド、ポリアセタール、ポリアクリレート、ポリスルフォン、ABS、ポリエステル、アクリル、ポリブチレンテレフタラート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー、塩ビ、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、シリコーンなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。これらの樹脂の中から、引張伸度の異なる2つの樹脂を選択してそれぞれ第1のマトリックス、第2のマトリックスとすることが出来る。
その中でも第1のマトリックスとしては熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であることにより、切込プリプレグ基材は室温においてタック性を有しているため、該基材を積層した際に上下の該基材と粘着により一体化され、意図したとおりの積層構成を保ったままで成形することができる。一方、室温においてタック性のない熱可塑性樹脂プリプレグ基材では、プリプレグ基材を積層した際に該基材同士が滑るため、成形時に積層構成がずれてしまい、結果として繊維の配向ムラの大きい繊維強化プラスチックとなる危険性がある。特に、凹凸部を有する型で成形する際は、その差異が顕著に現れる。本発明ではプリプレグ基材表面全面ではなく、切り込み部にのみ第2のマトリックス樹脂を配するため、たとえ第2のマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂のようなタックのない樹脂を用いたとしても、積層時の粘着性に大きな影響はないのも本発明の特徴のひとつである。
さらに、熱硬化性樹脂から構成される本発明の切込プリプレグ基材は、室温において優れたドレープ性を有するため、例えば、凹凸部を有する型を用いて成形する場合、予めその凹凸に沿わした予備賦形を容易に行うことが出来る。この予備賦形により成形性は向上し、流動の制御も容易になる。
さらに好ましくは熱硬化性樹脂の中でも、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等や、それらの混合樹脂がよい。これらの樹脂の常温(25℃)における樹脂粘度としては、1×106Pa・s以下であることが好ましく、この範囲内であれば本発明を満たすタック性およびドレープ性を有するプリプレグ基材を得ることができる。中でもエポキシ樹脂は炭素繊維と組み合わせて得られる強化繊維複合材料としての力学特性に最も優れている。
かかるマトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂のDSCに拠る発熱ピーク温度をTpとしたとき、前記熱硬化性樹脂が10分以内で硬化し得る温度Tが(Tp−60)〜(Tp+20)の範囲内にあることが好ましい。ここで、硬化し得るとは、熱硬化性樹脂を含む成形前駆体をある温度下で一定時間保持した後に成形前駆体の形状を保持した状態で取り出すことが可能であることをいい、具体的な評価法としては、加熱したプレス上に置いた内径31.7mm、厚さ3.3mmのポリテトラフルオロエチレン製Oリング中に熱硬化性樹脂を1.5ml注入し、10分間加熱加圧し架橋反応を進めた後に、樹脂試験片を変形させることなく取り出せることをいう。前記熱硬化性樹脂が10分以内で硬化し得る温度Tが、(Tp−60)℃より低い場合、成形時に昇温に時間を要することから、成形条件に制約が加わり、(Tp+20)℃より高い場合、樹脂の急激な反応により樹脂内部でのボイドの生成、硬化不良を引き起こすおそれがあるため、上記範囲であることが好ましい。なお、本発明におけるDSCに拠る発熱ピーク温度Tpは、昇温速度10℃/分の条件にて測定した値とする。
以上の硬化特性を発現する熱硬化性樹脂としては、少なくともエポキシ樹脂であり、硬化剤がアミン系硬化剤であり、硬化促進剤が1分子中にウレア結合を2個以上有する化合物が挙げられる。硬化促進剤としては、具体的に、2,4−トルエンビス(ジメチルウレア)または4,4−メチレンビス(フェニルジメチルウレア)が好ましい。
一方、第2のマトリックスとしては、熱可塑性樹脂を用いるのがよい。樹脂伸度や破壊靱性値が一般的な熱硬化性樹脂に比べ高いことが知られており、効果的に本発明の強度向上効果を奏する。さらに、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリフェニレンスルフォンが樹脂特性とコストとのバランス、樹脂粘度の設計自由度の点で好ましい。第2のマトリックス樹脂は第2のマトリックス樹脂との相溶性が高いほど、本発明の効果を奏するため、成形温度と同等以下の融点を持つものがよい。とりわけ、共重合等により100〜200℃程度に低融点化したポリアミドは熱硬化性樹脂との相溶性に優れており、かつ、伸引張度、引張強度、破壊靱性値も高く、好ましい。強化繊維として炭素繊維を用い、第1のマトリックス樹脂としてエポキシ樹脂、第2のマトリックス樹脂としてポリアミド樹脂を用いた際、最も軽量で高強度、高剛性な繊維強化プラスチックを得ることが出来る。
本発明の切込プリプレグ基材の製造方法は、強化繊維を一方向に引き揃えて第1のマトリックス樹脂を含浸して予備プリプレグ基材を準備した後、予備プリプレグ基材に切り込みを入れた後に第2のマトリックス樹脂で覆ってもよいし、第2のマトリックス樹脂を予備プリプレグ基材上に配置した後にその上から切り込みを入れてもよい。好ましくは、予備プリプレグ基材に、貫層した切り込みを入れた後、予備プリプレグ基材の表面上に層状に第2のマトリックス樹脂を配置して、切り込み部を第2のマトリックス樹脂で覆うのがよい。切り込み部を層状にマトリックス樹脂でパッチあてすることにより、切り込みでバラけることなく積層時の取り扱い性が良好となる。
予備プリプレグ基材に切り込みを入れる手段としては、カッターを用いての手作業や裁断機により切り込みを入れる方法、所定の位置に刃を配置した回転ローラーを連続的に押し当てたり、多層にプリプレグ基材を重ねて所定の位置に刃を配置した型で押し切りする等の方法がある。簡易にプリプレグ基材に切り込みを入れる場合には前者が、生産効率を考慮し大量に作製する場合には後者が適している。回転ローラーを用いる場合には、直接ローラーを削りだして所定の刃を設けてもよいが、マグネットローラーなどに平板を削りだして所定の位置に刃を配置したシート状の型を巻きつけることにより、刃の取りかえが容易で好ましい。このような回転ローラーを用いることで、Wsの小さな(具体的には1mm以下であっても)切込プリプレグ基材でも良好に切り込みを挿入することができる。切り込みを入れた後、さらに、切込プリプレグ基材をローラー等で熱圧着することで、切込部に樹脂が充填、融着することにより、取り扱い性を向上させてもよい。
さらに好ましくは、図2 d)〜f)に示すように、切り込みが繊維直交方向2から傾いているのがよい。工業的に切り込みを入れる際、繊維方向に供給された予備プリプレグ基材に繊維直交方向2に切り込みを入れようとすると、繊維を一気に分断する必要があり、大きな力が必要な他、刃の耐久性が低くなり、また繊維が直交方向2に逃げやすく、繊維の切り残りが増える。一方、切り込みが繊維直交方向2から傾いていることにより、刃の単位長さあたり裁断する繊維量が減少し、小さな力で繊維を裁断でき、刃の耐久性が高く、繊維の切り残り少なくできる。さらに、切り込みが繊維直交方向2から傾いていることにより、切り込み長さに対して、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsを小さくすることができ、一つ一つの切り込みにより分断される繊維量が減ることにより、強度向上が見込まれる。繊維直交方向2に切り込みを入れる場合には、Wsを小さくするために、小さな刃を用意するのが好ましいが、小さくし過ぎると耐久性、加工性に問題が生じる可能性がある。
また、第2のマトリックス樹脂を配置する手段としては、フィルム状、または不織布状に加工した第2のマトリックス樹脂を裁断しながら貼り付けてもよいし、あらかじめプリプレグ基材厚みHに対して切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込みの投影長さWsに対して繊維垂直方向に0.8Ws〜2Wsの寸法に裁断されたシート状の第2のマトリックス樹脂を、切り込み部を覆う位置に予め配置した予備シートを用いて貼り付けるのもよい。
本発明の積層基材としては、前記切込プリプレグ基材を少なくとも一部に有してなる積層基材であって、強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材が複数枚積層され、強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材がその繊維方向が少なくとも2方向以上に配向して一体化されている積層基材であるのがよい。例えば、切込プリプレグ基材と切り込みのない一方向基材や織物基材であるプリプレグ基材をハイブリッド積層してもよい。また、全面が切込プリプレグ基材で構成されていてもよい。
本発明の切込プリプレグ基材は1層だけでは、繊維直交方向にしか流動しない。すなわち、90°方向への樹脂の流動が繊維を動かす原動力であるため、2層以上異なる繊維方向に積層されていることではじめて、流動性が発現する。好ましくは、本発明の切込プリプレグ基材に隣接する層は一方向に強化繊維が配向したプリプレグ基材(本発明の切込プリプレグ基材を含む)であり、切込プリプレグ基材とは異なる繊維方向に積層されているのがよい。やむを得ず同一繊維方向の切込プリプレグ基材を隣接して積層する際には、切り込みが重ならないように積層するのがよい。またこれら切込プリプレグ基材の層間に樹脂フィルム等を積層し、流動性を向上させてもよい。また流動しなくてもよい部位には連続繊維基材を配し、さらにその部位の力学特性を向上させることもできる。形状によっては切り込みのない一方向プリプレグ基材と本発明の切込プリプレグ基材を積層して用いることもできる。例えば、一様断面形状の筒状体ならば、形状変化のない方向に連続繊維を配しても、流動性に問題はない。
層同士で繊維方向が異なると、層ごとの流動方向、距離に違いが生じるが、層間が滑ることで変位差を吸収できる。すなわち、繊維体積含有率Vfが45〜65%と高くても、本発明の積層基材は層間に樹脂を偏在させることができる構成のため、高い流動性を発現することができる。SMCの場合、ランダムに分散したチョップドストランド同士で流動性が異なり、互いに違う方向に流動しようとするが、繊維同士が干渉して流動しにくく、最大でVfが40%程度までしか流動性を確保することができない。すなわち、本発明の積層基材は力学特性を向上することが出来る高Vfの構成であっても高い流動性を発現できる、という特徴を有する。なお、成形時の樹脂粘度は1×104Pa・s以下であると、流動性に優れてよいが、0.01Pa・sより小さいと、樹脂により繊維に効率的に力を伝達できないため、適さない場合がある。
さらに好ましくは本発明の切込プリプレグ基材のみからなり、前記プリプレグ基材が擬似等方に積層されている積層基材がよい。本発明の切込プリプレグ基材のみを用いることで、積層時にトラップされた空気が厚み方向に切り込みを通じて脱気しやすく、ボイドが発生しにくく、高力学特性が期待できる。なかでも、[+45/0/−45/90]S、[0/±60]Sといった等方積層が、均等な物性とし、ソリの発生を抑制する場合には好ましい。また前述のとおり90°方向への樹脂の流動が繊維を動かす原動力であるため、隣接層の繊維配向によって繊維の流れ具合が異なるが、擬似等方積層とすることで流動性が等方となり、流動性のバラツキが少なくロバスト性に優れた成形材料となる。
前記積層基材において、本発明の切込プリプレグ基材のみが積層された部位に回転部などの機構を備えるために金属インサートを埋め込み、硬化、一体化させることにより、アセンブリコストが低減できる。その際、金属インサートの周囲に複数の凹部設けることにより、流動した繊維が凹部に進入し、容易に隙間を充填することができるとともに、成形温度から低下することで、金属と繊維の熱膨張差でかしめられ、強固に一体化させることができる。
さらに好ましくは積層基材において、繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層(積層基材が[+45/0/−45/90]Sならば+45°層同士、0°層同士、−45°層同士、90°層同士)において、両層の断続的な切り込みからなる列が等間隔であり、一方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列に対し繊維長手方向にずれて配置されているのがよい。本発明の積層基材を成形して得た繊維強化プラスチックは、主に荷重を負担している層の切り込み同士がつながった時に破壊する。任意の荷重が繊維強化プラスチックに加わった際に、主に荷重を負担する層の組は繊維方向が実質的に同一方向である層であり、その隣接層同士の切り込みがつながることを避けることが、繊維強化プラスチックの強度向上に役立つ。すなわち、積層基材面外方向から切り込みを投影した際の切り込み位置を隣接する同一配向の層とずらすことにより、強度向上を実現できる。さらに好ましくは、切り込みからなる列同士の間隔をXとすると、繊維長手方向に0.5Xずれた位置に隣接同一配向層の切り込みが、もっとも切り込み同士の距離が離れるためよい。なお、繊維方向が実質的に同一方向であるというように定義したのは、積層時の多少の角度のズレは許容するためであり、実質的に同一方向であるとは、通常その角度のズレが、±10°以内であることを言う。
本発明の繊維強化プラスチックは、前記積層基材を硬化せしめることにより得ることが好ましい。硬化せしめる方法、すなわち繊維強化プラスチックを成形する方法としては、プレス成形、オートクレーブ成形、シートワインディング成形等が挙げられる。なかでも、生産効率を考慮するとプレス成形が好ましい。
こうして得られた繊維強化プラスチックは次のような特徴を有することが好ましい。すなわち、強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層を2層以上含む積層構造を有する繊維強化プラスチックであって、前記繊維強化プラスチックの繊維体積含有率Vfは45〜65%の範囲内であり、かつ、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上をなしており、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の少なくとも1層は、全面が繊維長さLが10〜100mmの範囲内の強化繊維により構成され、層を厚み方向に貫く繊維束端部を複数有し、かつ、該層と該層に隣接する層の間に前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が該層内に入りこまずに層状に配置されている層間補強部を少なくとも一層配置されており、該層間補強部は、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の厚みHに対して前記繊維束端部から繊維方向の両方向にH〜100Hの範囲内にある。これにより、弾性率が低下することなく、構造材に適用し得る強度の高く軽量な繊維強化プラスチックを得ることができる。
ここで、“実質的に一方向に引き揃えられ”ているとは、任意の繊維のある一部に注目した際、半径5mm以内に存在する繊維群の90%以上が該任意の繊維のある一部の繊維角度から±10°以内に配向していることをさす。また、繊維束端部とは、数十本〜数十万本の繊維単糸が切断されている繊維端部が連続的に存在する領域(例えば図7の24)を指しており、層間補強部とは、第2のマトリックス樹脂が層と層の間に存在する領域(例えば図7の11)を指している。第2のマトリックス樹脂が強化繊維により形成される層内に入りこまずに層状に配置されているとは、第2のマトリックス樹脂が強化繊維により形成される層中にアンカー効果が得られるような態様で配置されていないことを意味するが、少量の第2のマトリックス樹脂(例えば、全第2のマトリックス樹脂の20体積%以下)が溶融等により強化繊維により形成される層内に入り込んでいても(つまり、一部の強化繊維の周りに第1のマトリックス樹脂ではなく、全追加樹脂の20体積%以下の第2のマトリックス樹脂が存在していても)よいことを意味する。
また、本発明の切込プリプレグ基材およびこれを用いた繊維強化プラスチックの用途としては、強度、剛性、軽量性が要求される、自転車用品、ゴルフ等のスポーツ部材のシャフトやヘッド、ドアやシートフレームなどの自動車部材、ロボットアームなどの機械部品がある。中でも、強度、軽量に加え、複雑な形状の成形追従性が要求されるシートパネルやシートフレーム等の自動車部品に好ましく適用できる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、実施例に記載の発明に限定されるというものではない。
<平板成形方法>
所定の基材を、300×300mmの金型上に配置した後、加熱型プレス成型機により、6MPaの加圧下、150℃の温度雰囲気で所定の時間で流動・成形せしめ、300×300mmの平板状の成形体を得た。
所定の基材を、300×300mmの金型上に配置した後、加熱型プレス成型機により、6MPaの加圧下、150℃の温度雰囲気で所定の時間で流動・成形せしめ、300×300mmの平板状の成形体を得た。
<機械特性評価方法>
得られた平板状の成形体より、長さ250±1mm、幅25±0.2mmの引張強度試験片を切り出した。JIS K−7073(1998)に規定する試験方法に従い、標点間距離を150mmとし、クロスヘッド速度2.0mm/分で引張強度を測定した。なお、本実施例においては、試験機としてインストロン(登録商標)万能試験機4208型を用いた。測定した試験片の数はn=5とし、平均値を引張強度とした。さらに、測定値より標準偏差を算出し、その標準偏差を平均値で除することにより、バラツキの指標である変動係数(CV値(%))を算出した。
得られた平板状の成形体より、長さ250±1mm、幅25±0.2mmの引張強度試験片を切り出した。JIS K−7073(1998)に規定する試験方法に従い、標点間距離を150mmとし、クロスヘッド速度2.0mm/分で引張強度を測定した。なお、本実施例においては、試験機としてインストロン(登録商標)万能試験機4208型を用いた。測定した試験片の数はn=5とし、平均値を引張強度とした。さらに、測定値より標準偏差を算出し、その標準偏差を平均値で除することにより、バラツキの指標である変動係数(CV値(%))を算出した。
<成形性評価>
得られた平板状の成形体の性状より、流動性とソリを評価した。
得られた平板状の成形体の性状より、流動性とソリを評価した。
流動性に関しては、基材を伸長して成形するにあたり、金型キャビティ内に繊維強化プラスチックが充填されており、最表層に配された基材も金型端部付近まで伸長している場合には流動性○、金型キャビティ内に繊維強化プラスチックが充填されているものの、最表層に配された基材がほとんど伸長していない場合には流動性△、金型キャビティ内に繊維強化プラスチックが充填されていない部位がある場合には流動性×、として評価した。
ソリに関しては、成形体を平らな試験台上に置いただけで成形体が試験台と全面で接触している場合にはソリ○、成形体を平らな試験台上に置いただけで成形体が試験台とが全面で接触しておらず、指で成形体上面から試験台に成形体を押し付けた際、成形体が試験台と全面で接触する場合にはソリ△、指で成形体上面から試験台に成形体を押し付けた際、成形体が試験台と接触していない部分がある場合にはソリ×と評価して、表1〜9にまとめた。
<基材の形態の比較(表1)>
(実施例1)
第1のマトリックス樹脂として、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“エピコート(登録商標)”828:30重量部、“エピコート(登録商標)”1001:35重量部、“エピコート(登録商標)”154:35重量部)に、熱可塑性樹脂ポリビニルホルマール(チッソ(株)製“ビニレック(登録商標)”K)5重量部をニーダーで加熱混練してポリビニルホルマールを均一に溶解させた後、硬化剤ジシアンジアミド(ジャパンエポキシレジン(株)製DICY7)3.5重量部と、硬化促進剤3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア(保土谷化学工業(株)製DCMU99)4重量部を、ニーダーで混練して未硬化のエポキシ樹脂組成物を調整した。このエポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いてシリコーンコーティング処理された厚さ100μmの離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、一方向に配列させた炭素繊維(引張強度4,900MPa、引張弾性率235GPa)の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧することによって樹脂を含浸させ、単位面積あたりの炭素繊維重さ125g/m2、繊維体積含有率Vf55%、厚み0.125mmのプリプレグ基材を作製した。
(実施例1)
第1のマトリックス樹脂として、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“エピコート(登録商標)”828:30重量部、“エピコート(登録商標)”1001:35重量部、“エピコート(登録商標)”154:35重量部)に、熱可塑性樹脂ポリビニルホルマール(チッソ(株)製“ビニレック(登録商標)”K)5重量部をニーダーで加熱混練してポリビニルホルマールを均一に溶解させた後、硬化剤ジシアンジアミド(ジャパンエポキシレジン(株)製DICY7)3.5重量部と、硬化促進剤3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア(保土谷化学工業(株)製DCMU99)4重量部を、ニーダーで混練して未硬化のエポキシ樹脂組成物を調整した。このエポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いてシリコーンコーティング処理された厚さ100μmの離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、一方向に配列させた炭素繊維(引張強度4,900MPa、引張弾性率235GPa)の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧することによって樹脂を含浸させ、単位面積あたりの炭素繊維重さ125g/m2、繊維体積含有率Vf55%、厚み0.125mmのプリプレグ基材を作製した。
このプリプレグ基材に、自動裁断機を用いて図8に示すような切り込みを連続的に挿入することにより、等間隔で規則的な切り込みを有する切込プリプレグ基材を得た。切り込みの方向は繊維直交方向で、切り込みの長さWは10.1mm(すなわち、Ws=10.1mm)であり、間隔L(繊維長さ)は30mmである。図8に示すように、隣り合う切り込みの列7aと7bは繊維直交方向に10mm移動すると、幾何的に同等である。また、繊維長手方向に対になる切り込みの列には7aと7c、7bと7dの組があり、切り込みの列のパターンは2パターン存在する。さらに、隣り合う列の切り込みが互いに切り込んでいる5の範囲は0.1mmである。エポキシ樹脂の25℃雰囲気下における粘度は2×104Pa・sであり、該基材はタック性を有していた。
一方、第2のマトリックス樹脂として、共重合ポリアミド樹脂(東レ(株)製“アミラン”(登録商標)CM4000、ポリアミド6/66/610共重合体、融点155℃)のペレットを、メルトブローにより単位面積あたりの樹脂重量30g/m2となる不織布を作成した。ポリアミド樹脂の25℃雰囲気下における粘度は固体であるため測定不可能であり、該不織布基材はタック性がなかった。得られた不織布基材を3×12mmの矩形状に裁断した後、切込プリプレグ基材の両面にすべての切り込み(10mm)が略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。エポキシ樹脂のタックにより、押圧するだけで、不織布基材が切込プリプレグ基材に付着した。第1、第2のマトリックス樹脂を併せた切込プリプレグ基材全体の繊維体積含有率Vfは53%相当となった。なお、この切込プリプレグ基材を1層のみ、そのまま圧力も加えずオーブン内で130℃×2時間で硬化させ、断面を切り出したところ、第2のマトリックス樹脂がない部位の層厚みは平均125μmに対して、第2のマトリックス樹脂が両面に存在する部位の層厚みは、追加樹脂層が不織布であることから均一な厚みではないものの、平均175μmであった。追加樹脂層が両面に存在する部位を繊維方向に垂直な面で切り出し、光学顕微鏡により観察すると、切込プリプレグ基材の層表面から10μm程度の深さに追加樹脂層が強化繊維周りに存在することが確認されたが、断面図における追加樹脂層の占める面積全体から比較すると10%を越えることなく、実質的に追加樹脂層は切込プリプレグ基材の層内に入り込んでおらず、また、追加樹脂層の厚みは平均25μm程度であることがわかった。
このようにして得られた切込プリプレグ基材を用いて、炭素繊維の配向方向(0°方向)と、炭素繊維の配向方向から右に45度ずらした方向(45°方向)に、それぞれ250×250mmの大きさのサイズに切り出した。切り出した切込プリプレグ基材を、炭素繊維の配向方向が同一である隣接する層において、一方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Lの0.5倍の15mmずれるように、16層で疑似等方に積層して([−45/0/+45/90]2S)、積層基材を得た。
さらに、上記の積層基材を用いて、300×300mmのキャビティを有する平板金型上の概中央部に配置した後、加熱型プレス成形機により、6MPaの加圧のもと、150℃×30分間の条件により硬化せしめ、300×300mmの平板状の繊維強化プラスチックを得た。金型を上から見たときの金型面積に対する基材の面積の割合をチャージ率と定義すると、チャージ率は70%に相当する。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は41GPaとほぼ理論値通り発現し、また、引張強度に関しても500MPaと高い値が発現し、そのCV値も3%ときわめてバラツキの小さい結果となった。
<強化繊維、第2のマトリックス樹脂の比較(表2)>
(実施例2)
共重合ポリアミド樹脂(東レ(株)製“アミラン”(登録商標)CM4000、ポリアミド6/66/610共重合体、融点155℃)のペレットを、200℃で加熱したプレスで25μm厚みのフィルム状に加工した。得られたフィルム基材を3×12mmの矩形状に裁断した後、実施例1と同様にして得た切込プリプレグ基材(第2のマトリックス付与前)の両面にすべての切り込み(10mm)が略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した。エポキシ樹脂のタックにより、押圧するだけで、フィルム基材が切込プリプレグ基材に付着した。実施例1と同様に、第2のマトリックス樹脂は層状に配置されており、切込プリプレグ基材の層内に入り込んでいないことが確認され、第1、第2のマトリックス樹脂を併せた切込プリプレグ基材全体の繊維体積含有率Vfは53%相当となった。こうして得られた切込プリプレグ基材を用いて、実施例1と同様に、積層、成形した。
(実施例2)
共重合ポリアミド樹脂(東レ(株)製“アミラン”(登録商標)CM4000、ポリアミド6/66/610共重合体、融点155℃)のペレットを、200℃で加熱したプレスで25μm厚みのフィルム状に加工した。得られたフィルム基材を3×12mmの矩形状に裁断した後、実施例1と同様にして得た切込プリプレグ基材(第2のマトリックス付与前)の両面にすべての切り込み(10mm)が略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した。エポキシ樹脂のタックにより、押圧するだけで、フィルム基材が切込プリプレグ基材に付着した。実施例1と同様に、第2のマトリックス樹脂は層状に配置されており、切込プリプレグ基材の層内に入り込んでいないことが確認され、第1、第2のマトリックス樹脂を併せた切込プリプレグ基材全体の繊維体積含有率Vfは53%相当となった。こうして得られた切込プリプレグ基材を用いて、実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は40GPa、引張強度に関しても510MPaと実施例1と同等の高い値が発現し、そのCV値も2%ときわめてバラツキの小さい結果となった。
(実施例3)
ランダム共重合PP樹脂(プライムポリマー(株)製J229E,融点155℃)55重量%と酸変性PP系樹脂(三洋化成(株)製ユーメックス1010、酸価約52、融点142℃、重量平均分子量30,000)45重量%とを、日本製鋼所(株)製2軸押出機(TEX−30α2)を用い、200℃で溶融混練したペレットを、メルトブローにより単位面積あたりの樹脂重量30g/m2となる不織布を作成した。PP樹脂の25℃雰囲気下における粘度は固体であるため測定不可能であり、該不織布基材はタック性がなかった。得られた不織布基材を3×12mmの矩形状に裁断した後、実施例1と同様にして得た切込プリプレグ基材(第2のマトリックス付与前)の両面にすべての切り込み(10mm)が略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した。エポキシ樹脂のタックにより、押圧するだけで、不織布基材が切込プリプレグ基材に付着した。実施例1と同様に、第2のマトリックス樹脂は層状に配置されており、切込プリプレグ基材の層内に入り込んでいないことが確認され、第1、第2のマトリックス樹脂を併せた切込プリプレグ基材全体の繊維体積含有率Vfは53%相当となった。こうして得られた切込プリプレグ基材を用いて、実施例1と同様に、積層、成形した。
ランダム共重合PP樹脂(プライムポリマー(株)製J229E,融点155℃)55重量%と酸変性PP系樹脂(三洋化成(株)製ユーメックス1010、酸価約52、融点142℃、重量平均分子量30,000)45重量%とを、日本製鋼所(株)製2軸押出機(TEX−30α2)を用い、200℃で溶融混練したペレットを、メルトブローにより単位面積あたりの樹脂重量30g/m2となる不織布を作成した。PP樹脂の25℃雰囲気下における粘度は固体であるため測定不可能であり、該不織布基材はタック性がなかった。得られた不織布基材を3×12mmの矩形状に裁断した後、実施例1と同様にして得た切込プリプレグ基材(第2のマトリックス付与前)の両面にすべての切り込み(10mm)が略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した。エポキシ樹脂のタックにより、押圧するだけで、不織布基材が切込プリプレグ基材に付着した。実施例1と同様に、第2のマトリックス樹脂は層状に配置されており、切込プリプレグ基材の層内に入り込んでいないことが確認され、第1、第2のマトリックス樹脂を併せた切込プリプレグ基材全体の繊維体積含有率Vfは53%相当となった。こうして得られた切込プリプレグ基材を用いて、実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は38GPa、引張強度に関しても420MPaと高い値が発現した。
(実施例4)
実施例1と同様に第1のマトリックスの樹脂フィルムを作成した。次に、一方向に配列させたガラス繊維(引張強度1,500MPa、引張弾性率74GPa)の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧することによって樹脂を含浸させ、ガラス繊維重さ175g/m2、繊維体積含有率Vf53%、厚み0.125mmのプリプレグ基材を作製した。以後、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。
実施例1と同様に第1のマトリックスの樹脂フィルムを作成した。次に、一方向に配列させたガラス繊維(引張強度1,500MPa、引張弾性率74GPa)の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧することによって樹脂を含浸させ、ガラス繊維重さ175g/m2、繊維体積含有率Vf53%、厚み0.125mmのプリプレグ基材を作製した。以後、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率25GPa、引張強度380MPaと、実施例1と比較すると強化繊維の性能差分低くなっているが、引張弾性率は理論値近く発現しており、また引張強度のCV値は2%とバラツキの小さい結果となった。
<チャージ率の比較(表3)>
(実施例5〜7)
切り出す切込プリプレグ基材の大きさが異なる以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。切り出す切込プリプレグ基材の大きさは、実施例5では212×212mm、実施例6では268×268mm、実施例7では300×300mm、とした。それぞれ実施例5がチャージ率50%、実施例6が80%、実施例7が100%に相当する。
(実施例5〜7)
切り出す切込プリプレグ基材の大きさが異なる以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。切り出す切込プリプレグ基材の大きさは、実施例5では212×212mm、実施例6では268×268mm、実施例7では300×300mm、とした。それぞれ実施例5がチャージ率50%、実施例6が80%、実施例7が100%に相当する。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動していた(ただし、実施例7は100%チャージのため、流動していない)。実施例5は長距離流動させたため、若干の繊維分布の粗密から、わずかながらソリが発生したが、おおむね良好な外観品位、平滑性を保っていた。実施例6、7はいずれもソリがなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率はいずれも41GPa、引張強度は420〜580MPaと高い値であり、引張強度のCV値も3〜6%とバラツキの小さい結果であった。
<繊維長さの比較(表4)>
(実施例8〜10)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの間隔L(繊維長さ)が異なる以外は、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれLは、実施例8では10mm、実施例9では60mm、実施例10では100mmとした。これに伴い、積層基材において、配向方向が同一である隣接する層において、一方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Lの0.5倍ずつ、ずれることになり、この繊維長手方向へのずれはそれぞれ、実施例8が5mm、実施例9が30mm、実施例10が50mmとなる。
(実施例8〜10)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの間隔L(繊維長さ)が異なる以外は、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれLは、実施例8では10mm、実施例9では60mm、実施例10では100mmとした。これに伴い、積層基材において、配向方向が同一である隣接する層において、一方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Lの0.5倍ずつ、ずれることになり、この繊維長手方向へのずれはそれぞれ、実施例8が5mm、実施例9が30mm、実施例10が50mmとなる。
得られた繊維強化プラスチックは実施例10を除いて繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動していた。実施例10は若干の繊維のうねりと金型との摩擦を受ける表面部で端部まで繊維が十分流動してない部位があった。その他、いずれの繊維強化プラスチックもソリがなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率39〜43GPa、引張強度は380〜610MPaと高い値であり、引張強度のCV値も4〜8%とバラツキの小さい結果であった。
<切り込み長さの比較(表5)>
(実施例11、12)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの長さWがそれぞれ実施例11では50.1mm、実施例12では1.1mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例11では50mm、実施例12では1mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂からなる不織布基材を実施例11では3×120mm、実施例12では3×2.4mmの矩形状に裁断した後、切込プリプレグ基材の両面にすべての切り込みが略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
(実施例11、12)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの長さWがそれぞれ実施例11では50.1mm、実施例12では1.1mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例11では50mm、実施例12では1mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂からなる不織布基材を実施例11では3×120mm、実施例12では3×2.4mmの矩形状に裁断した後、切込プリプレグ基材の両面にすべての切り込みが略中心になるように矩形の3mmの辺が繊維方向となるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動しており、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率40GPa、41GPa、引張強度は460MPa、600MPaと高い値であり、引張強度のCV値も2%、4%とバラツキの小さい結果であった。
(実施例13〜15)
実施例1の切り込みパターンにおいて、自動裁断機の代わりに、円柱状の金属を削りだし円周上に複数の刃を設けて回転ローラーとし、プリプレグ基材に押し当てて切り込みを入れることで、切り込みの長さWを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれWは実施例13では0.725mm、実施例14では0.412mm、実施例15では0.05mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例13では0.625mm、実施例14では0.312mm、実施例15では0.03mmずれている。第2のマトリックス樹脂として実施例2と同様のフィルム基材を付与するにあたっては、実施例13、14はフィルム基材を矩形に裁断しその寸法は、実施例13が3×0.75mm、実施例14が3×0.42mmのサイズとし、矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±1.5mm)。実施例15は図5c)のように3mm幅の帯状の実施例1と同様の不織布基材を繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
実施例1の切り込みパターンにおいて、自動裁断機の代わりに、円柱状の金属を削りだし円周上に複数の刃を設けて回転ローラーとし、プリプレグ基材に押し当てて切り込みを入れることで、切り込みの長さWを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれWは実施例13では0.725mm、実施例14では0.412mm、実施例15では0.05mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例13では0.625mm、実施例14では0.312mm、実施例15では0.03mmずれている。第2のマトリックス樹脂として実施例2と同様のフィルム基材を付与するにあたっては、実施例13、14はフィルム基材を矩形に裁断しその寸法は、実施例13が3×0.75mm、実施例14が3×0.42mmのサイズとし、矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±1.5mm)。実施例15は図5c)のように3mm幅の帯状の実施例1と同様の不織布基材を繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動しており、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率41〜42GPa、引張強度は630〜710MPaと高い値であり、引張強度のCV値も4〜5%とバラツキの小さい結果であった。特に、切り込み長さを小さくすることで、大きく引張強度が向上した。また、わずかではあるが、引張弾性率も向上した。
<繊維含有率の比較(表6)>
(実施例16〜18)
実施例1のプリプレグ基材の単位面積あたりの炭素繊維重さを変えることにより炭素繊維の体積含有率Vfを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれ実施例16が単位面積あたりの炭素繊維重さが146g/m2、実施例17が135g/m2、実施例18が113g/m2とし、第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材のVfをそれぞれ実施例16が65%、実施例17が60%、実施例18が50%とした。その後、実施例1と同様に第2のマトリックスを付与することで、最終的な切込プリプレグ基材のVfはそれぞれ実施例16が63%、実施例17が58%、実施例18が48%とした。
(実施例16〜18)
実施例1のプリプレグ基材の単位面積あたりの炭素繊維重さを変えることにより炭素繊維の体積含有率Vfを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれ実施例16が単位面積あたりの炭素繊維重さが146g/m2、実施例17が135g/m2、実施例18が113g/m2とし、第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材のVfをそれぞれ実施例16が65%、実施例17が60%、実施例18が50%とした。その後、実施例1と同様に第2のマトリックスを付与することで、最終的な切込プリプレグ基材のVfはそれぞれ実施例16が63%、実施例17が58%、実施例18が48%とした。
得られた繊維強化プラスチックは実施例16を除いて繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動していた。実施例16は若干の繊維のうねりと金型との摩擦を受ける表面部で端部まで繊維が十分流動してない部位があった。その他、いずれの繊維強化プラスチックもソリがなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率38〜49GPa、引張強度は440〜530MPaと高い値であり、引張強度のCV値も2〜5%とバラツキの小さい結果であった。Vfが大きくなるほど、引張弾性率も強度も向上するという結果となったが、あまりVfが大きいと流動性が落ちるという難点があった。
(実施例19、20)
実施例19は実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れ第2のマトリックスを付与した切込プリプレグ基材を16層クロスプライに積層した、[0/90]4sの積層基材を用いた。実施例20は実施例1の第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材と、切り込みを入れ第2のマトリックス樹脂を付与した後の切込プリプレグ基材を取り合わせて積層した以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。切り込みのない連続繊維のみで構成されたプリプレグ基材8層と切り込みを入れ第2のマトリックス樹脂を付与した切込プリプレグ基材8層とを交互にクロスプライに積層した、[0/C90]4s(Cは連続繊維のみで構成されたプリプレグ基材をさす)の積層基材を用いた。
実施例19は実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れ第2のマトリックスを付与した切込プリプレグ基材を16層クロスプライに積層した、[0/90]4sの積層基材を用いた。実施例20は実施例1の第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材と、切り込みを入れ第2のマトリックス樹脂を付与した後の切込プリプレグ基材を取り合わせて積層した以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。切り込みのない連続繊維のみで構成されたプリプレグ基材8層と切り込みを入れ第2のマトリックス樹脂を付与した切込プリプレグ基材8層とを交互にクロスプライに積層した、[0/C90]4s(Cは連続繊維のみで構成されたプリプレグ基材をさす)の積層基材を用いた。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が十分に流動していた。実施例19では若干のソリは発生したものの、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率57〜58GPa、引張強度は520〜540MPaと高い値であり、引張強度のCV値も4〜6%とバラツキの小さい結果であった。ただし、引張試験の方向は0°方向であるため非常に高い力学特性を示しているが、±45°の方向には繊維が配向していないため、汎用的ではない、という問題点がある。
(実施例21、22)
実施例21は実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を12層擬似等方に積層した、[60/0/−60]2sの積層基材を用いた。実施例22は実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材に加え、最表層に実施例1と同様の第1のマトリックス樹脂を含浸したVf55%の層厚み250μmの平織プリプレグ基材を配した以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を16層擬似等方に積層し、さらに最表層に繊維方向が0°と90°に配向した前記平織プリプレグ基材を積層した、[WF0/45/0/-45/90]2s(WFは平織プリプレグ基材をさす)の積層基材を用いた。
実施例21は実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を12層擬似等方に積層した、[60/0/−60]2sの積層基材を用いた。実施例22は実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材に加え、最表層に実施例1と同様の第1のマトリックス樹脂を含浸したVf55%の層厚み250μmの平織プリプレグ基材を配した以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を16層擬似等方に積層し、さらに最表層に繊維方向が0°と90°に配向した前記平織プリプレグ基材を積層した、[WF0/45/0/-45/90]2s(WFは平織プリプレグ基材をさす)の積層基材を用いた。
実施例21で得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が十分に流動していた。引張弾性率42GPa、引張強度は480MPaと実施例1と同等の物性を発現し、引張強度のCV値も3%でありバラツキの小さい結果であった。実施例22で得られた繊維強化プラスチックは最表層の平織部がまったく流動していないものの、平織部にはさまれた部位は端部まで繊維が十分に流動していた。端部で特に繊維のうねりが見られたものの、全体的にはソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率50GPa、引張強度560MPaとハイブリッド化により高い力学特性を示した。
(実施例23)
実施例1と同様に樹脂フィルムを作製し、実施例1と同様に一方向に配列させた炭素繊維の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧する際、樹脂が完全に炭素繊維内に含浸していない状態で単位面積あたりの炭素繊維重さ125g/m2、繊維体積含有率Vf55%の半含浸プリプレグ基材を作製した。この半含浸プリプレグ基材に実施例1と同様に図8に示すような切り込みを挿入し、第2のマトリックスを付与した。得られた切込プリプレグ基材は、厚み方向中央部には樹脂の含浸していない領域があるものの、切り込みにより毛羽立ったり、分離したりすることなく、実施例1と同様に十分な取り扱い性を保っていた。さらに実施例1と同様に、第2のマトリックスを付与した後、積層、成形して繊維強化プラスチックを得た。
実施例1と同様に樹脂フィルムを作製し、実施例1と同様に一方向に配列させた炭素繊維の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱・加圧する際、樹脂が完全に炭素繊維内に含浸していない状態で単位面積あたりの炭素繊維重さ125g/m2、繊維体積含有率Vf55%の半含浸プリプレグ基材を作製した。この半含浸プリプレグ基材に実施例1と同様に図8に示すような切り込みを挿入し、第2のマトリックスを付与した。得られた切込プリプレグ基材は、厚み方向中央部には樹脂の含浸していない領域があるものの、切り込みにより毛羽立ったり、分離したりすることなく、実施例1と同様に十分な取り扱い性を保っていた。さらに実施例1と同様に、第2のマトリックスを付与した後、積層、成形して繊維強化プラスチックを得た。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は41GPa、引張強度も490MPaと高い値が発現し、そのCV値も5%ときわめてバラツキの小さい結果となった。
<第2のマトリックス樹脂の付与面積の比較(表8、9)>
(実施例24〜29)
第2のマトリックス樹脂である不織布基材の付与面積が異なる他は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例24〜26は不織布基材を矩形に裁断する際、実施例24が1×12mm、実施例25が10×12mm、実施例26が20×12mmのサイズとし、矩形の12mmの辺が繊維直交方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した。具体的には切り込みから不織布基材の幅端部までの距離が、実施例24が繊維方向に±0.5mm、実施例25が繊維方向に±5mm、実施例26が繊維方向に±10mmとなるよう、配置した。一方、実施例27、28は不織布基材を矩形に裁断する際、実施例27が3×8mm、実施例28が3×10mmのサイズとし、矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±1.5mm)。実施例29は図5c)のように3mm幅の帯状の不織布基材を繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。
(実施例24〜29)
第2のマトリックス樹脂である不織布基材の付与面積が異なる他は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。実施例24〜26は不織布基材を矩形に裁断する際、実施例24が1×12mm、実施例25が10×12mm、実施例26が20×12mmのサイズとし、矩形の12mmの辺が繊維直交方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した。具体的には切り込みから不織布基材の幅端部までの距離が、実施例24が繊維方向に±0.5mm、実施例25が繊維方向に±5mm、実施例26が繊維方向に±10mmとなるよう、配置した。一方、実施例27、28は不織布基材を矩形に裁断する際、実施例27が3×8mm、実施例28が3×10mmのサイズとし、矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±1.5mm)。実施例29は図5c)のように3mm幅の帯状の不織布基材を繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりはなく、いずれも良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は34〜42GPa、引張強度は430〜520MPaと高い物性を発現した。実施例25、26のように、第2のマトリックス樹脂の覆う面積が大きくなるにつれ、弾性率や引張強度が若干低下する傾向が見られた。
<面内に斜めに切り込まれた切込プリプレグ基材の比較(表10)>
(実施例30、31)
実施例1と同様のプリプレグ基材に、図2f)に示す切り込みパターンのように、繊維直交方向から傾けて直線状の切り込みを、自動裁断機を用いて挿入した。切り込みの長さWは5.1mmであり、繊維方向に対になる切り込みの幾何中心同士の間隔L(繊維長さ)は30mmである。繊維方向に対して切り込みの角度を、実施例30は30°、実施例31は45°とした。その結果、切り込みを繊維直交方向に投影した投影長さWsが、実施例30は5.05mm、実施例31は7.14mmとなった。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例30では5mm、実施例31では7mm、ずれている。第2のマトリックス樹脂としては実施例1と同様の不織布を用い、平行四辺形に裁断したものを用いた。平行四辺形に裁断した不織布の繊維方向の幅はいずれも3mm、繊維直交方向の幅は実施例30では6mm、実施例31では8.5mmとし、切り込みを完全に覆うように、切り込みから繊維方向に±1.5mmの位置に配置した。
(実施例30、31)
実施例1と同様のプリプレグ基材に、図2f)に示す切り込みパターンのように、繊維直交方向から傾けて直線状の切り込みを、自動裁断機を用いて挿入した。切り込みの長さWは5.1mmであり、繊維方向に対になる切り込みの幾何中心同士の間隔L(繊維長さ)は30mmである。繊維方向に対して切り込みの角度を、実施例30は30°、実施例31は45°とした。その結果、切り込みを繊維直交方向に投影した投影長さWsが、実施例30は5.05mm、実施例31は7.14mmとなった。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例30では5mm、実施例31では7mm、ずれている。第2のマトリックス樹脂としては実施例1と同様の不織布を用い、平行四辺形に裁断したものを用いた。平行四辺形に裁断した不織布の繊維方向の幅はいずれも3mm、繊維直交方向の幅は実施例30では6mm、実施例31では8.5mmとし、切り込みを完全に覆うように、切り込みから繊維方向に±1.5mmの位置に配置した。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動しており、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率41〜42GPa、引張強度は460〜530MPaと高い値であり、引張強度のCV値も2〜3%とバラツキの小さい結果であった。
(実施例32、33)
実施例30、31と同様の手法を用いて、繊維直交方向から傾けて直線状の切り込みを挿入した。切り込みの長さWは1.1mmであり、間隔L(繊維長さ)は30mmである。繊維方向に対して切り込みの角度を、実施例32は30°、実施例33は45°とした。その結果、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが、実施例32は0.55mm、実施例33は0.78mmとなった。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例32では0.5mm、実施例33では0.7mm、ずれている。第2のマトリックス樹脂としては実施例1と同様の不織布を用い、図5c)のように切り込みの列をすべて覆うように、実施例32では1.5mm幅、実施例33では2.12mm幅の帯状の不織布基材を配置した(繊維方向にいずれも±1.5mm)。
実施例30、31と同様の手法を用いて、繊維直交方向から傾けて直線状の切り込みを挿入した。切り込みの長さWは1.1mmであり、間隔L(繊維長さ)は30mmである。繊維方向に対して切り込みの角度を、実施例32は30°、実施例33は45°とした。その結果、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが、実施例32は0.55mm、実施例33は0.78mmとなった。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向にそれぞれ、実施例32では0.5mm、実施例33では0.7mm、ずれている。第2のマトリックス樹脂としては実施例1と同様の不織布を用い、図5c)のように切り込みの列をすべて覆うように、実施例32では1.5mm幅、実施例33では2.12mm幅の帯状の不織布基材を配置した(繊維方向にいずれも±1.5mm)。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動しており、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率42GPa、引張強度は640〜720MPaと実施例12に比べても非常に高い値であり、引張強度のCV値も4〜5%とバラツキの小さい結果であった。切り込みを斜めにすることで、自動裁断機という簡易な切り込み挿入方法でも、実質的にWsを小さくし、一つの切り込み当たりの切断繊維本数を少なくすることで、大きく引張強度が向上することができた。
<積層構成の比較(表7)>
(参考例1、2)
実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。参考例1では実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を8層同方向に積層した[0]8の積層基材を用いた。参考例2では実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を16層積層した[0/45]4sの積層基材を用いた。
(参考例1、2)
実施例1の積層構成を変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。参考例1では実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を8層同方向に積層した[0]8の積層基材を用いた。参考例2では実施例1の切り込みを入れた切込プリプレグ基材を16層積層した[0/45]4sの積層基材を用いた。
参考例1で得られた繊維強化プラスチックは、90°方向にのみ流動し、0°方向にはところどころヒゲのように繊維が飛び出している部分はあるが、基本的に流動していなかった。0°方向のキャビティの空隙には搾り出された樹脂が溜まり、外観品位も悪かった。参考例2で得られた繊維強化プラスチックは、キャビティ全体に流動はしているが、積層構成と同様に繊維の流れが異方性であり、繊維のうねりが大きかった。また、得られた繊維強化プラスチックはソリが大きかった。
以下、比較例を示す。
<基材の形態の比較(表1)>
(比較例1)
プリプレグ基材に切り込みを入れず、第2のマトリックスを付与しなかった他は、実施例1と同様とした。
(比較例1)
プリプレグ基材に切り込みを入れず、第2のマトリックスを付与しなかった他は、実施例1と同様とした。
得られた繊維強化プラスチックは積層基材の段階からほとんど流動することなく、ほぼ250×250mmの大きさであり、マトリックス樹脂が搾り出されて金型との隙間に樹脂バリが出来ていた。樹脂が搾り出されているため、表面ががさがさしており、製品には適用できなさそうだった。
(比較例2)
実施例1と同様のエポキシ樹脂組成物を厚めに塗布した樹脂フィルムを作成した。次に、長さ25mmにカットされた炭素繊維束(引張強度4,900MPa、引張弾性率235GPa、12,000本)を単位面積あたりの重量が125g/m2になるよう均一に樹脂フィルム上に落下、散布した。さらにもう一枚の樹脂フィルムを被せて、カットされた炭素繊維を挟んだ後、カレンダーロールを通過させ、繊維体積含有率Vf55%のSMCシートを作製した。このSMCシートを250×250mmに切り出し、16層積層して、積層基材を得た後、実施例1と同様に成形し、繊維強化プラスチックを得た。
実施例1と同様のエポキシ樹脂組成物を厚めに塗布した樹脂フィルムを作成した。次に、長さ25mmにカットされた炭素繊維束(引張強度4,900MPa、引張弾性率235GPa、12,000本)を単位面積あたりの重量が125g/m2になるよう均一に樹脂フィルム上に落下、散布した。さらにもう一枚の樹脂フィルムを被せて、カットされた炭素繊維を挟んだ後、カレンダーロールを通過させ、繊維体積含有率Vf55%のSMCシートを作製した。このSMCシートを250×250mmに切り出し、16層積層して、積層基材を得た後、実施例1と同様に成形し、繊維強化プラスチックを得た。
得られた繊維強化プラスチックはその端部まで繊維が充分に流動していた。わずかながらソリが発生した一方、繊維分布の粗密から樹脂リッチ部でヒケが発生し、平滑性に劣った。引張弾性率は33GPaと繊維が真直でないためか理論値よりかなり低く、引張強度も220MPa、そのCV値は12%とバラツキが大きく、構造材には適用できそうになかった。
(比較例3)
マトリックス樹脂としてビニルエステル樹脂(ダウ・ケミカル(株)製、デラケン790)を100重量部、硬化剤としてtert−ブチルパーオキシベンゾエート(日本油脂(株)製、パーブチルZ)を1重量部、内部離型剤としてステアリン酸亜鉛(堺化学工業(株)製、SZ−2000)を2重量部、増粘剤として酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製、MgO#40)を4重量部用いて、それらを十分に混合撹拌し、樹脂ペーストを得た。樹脂ペーストをドクターブレードを用いて、ポリプロピレン製の離型フィルム上に塗布した。その上から、比較例2と同様の長さ25mmにカットされた炭素繊維束を単位面積あたりの重量が500g/m2になるよう均一に落下、散布した。さらに、樹脂ペーストを塗布したもう一方のポリプロピレンフィルムとで樹脂ペースト側を内にして挟んだ。炭素繊維のSMCシートに対する体積含有量は40%とした。得られたシートを40℃にて24時間静置することにより、樹脂ペーストを十分に増粘化させて、SMCシートを得た。このSMCシートを250×250mmに切り出し、4層積層して、積層基材を得た後、実施例1と同様に成形し、繊維強化プラスチックを得た。
マトリックス樹脂としてビニルエステル樹脂(ダウ・ケミカル(株)製、デラケン790)を100重量部、硬化剤としてtert−ブチルパーオキシベンゾエート(日本油脂(株)製、パーブチルZ)を1重量部、内部離型剤としてステアリン酸亜鉛(堺化学工業(株)製、SZ−2000)を2重量部、増粘剤として酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製、MgO#40)を4重量部用いて、それらを十分に混合撹拌し、樹脂ペーストを得た。樹脂ペーストをドクターブレードを用いて、ポリプロピレン製の離型フィルム上に塗布した。その上から、比較例2と同様の長さ25mmにカットされた炭素繊維束を単位面積あたりの重量が500g/m2になるよう均一に落下、散布した。さらに、樹脂ペーストを塗布したもう一方のポリプロピレンフィルムとで樹脂ペースト側を内にして挟んだ。炭素繊維のSMCシートに対する体積含有量は40%とした。得られたシートを40℃にて24時間静置することにより、樹脂ペーストを十分に増粘化させて、SMCシートを得た。このSMCシートを250×250mmに切り出し、4層積層して、積層基材を得た後、実施例1と同様に成形し、繊維強化プラスチックを得た。
得られた繊維強化プラスチックはその端部まで繊維が十分に流動していた。わずかながらソリが発生した一方、樹脂含有成分が多い分平滑性は比較例2よりは優れていたが、若干のヒケが発生した。引張弾性率は30GPa、引張強度は160MPaと全体的に低く、引張強度のCV値は16%とバラツキが大きいため、構造材には適用できそうになかった。
(比較例4)
比較例3と同様に樹脂ペーストを作成してポリプロピレンフィルム上に樹脂ペーストを塗布した後、長さ25mmにカットされたガラス繊維束(引張強度1,500MPa、引張弾性率74GPa、800本)を単位面積あたりの重量が700g/m2になるよう均一に落下、散布した。以後、比較例3と同様に、繊維強化プラスチックを得た。
比較例3と同様に樹脂ペーストを作成してポリプロピレンフィルム上に樹脂ペーストを塗布した後、長さ25mmにカットされたガラス繊維束(引張強度1,500MPa、引張弾性率74GPa、800本)を単位面積あたりの重量が700g/m2になるよう均一に落下、散布した。以後、比較例3と同様に、繊維強化プラスチックを得た。
得られた繊維強化プラスチックはその端部まで繊維が十分に流動していた。わずかながらソリが発生した一方、樹脂含有成分が多い分平滑性は比較例2よりは優れていたが、若干のヒケが発生した。引張弾性率は15GPa、引張強度は180MPaと全体的に低く、引張強度のCV値は14%とバラツキが大きいため、構造材には適用できそうになかった。
<強化繊維、第2のマトリックス樹脂の比較(表2)>
(比較例5)
第2のマトリックスを付与しなかった他は実施例1と同様とした。
(比較例5)
第2のマトリックスを付与しなかった他は実施例1と同様とした。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は43GPaと実施例1と同等、また、引張強度に関しても410MPaと高い値が発現し、そのCV値も4%とバラツキの小さい結果となったが、実施例1と比較すると引張強度が低かった。
(比較例6)
第2のマトリックスを付与しなかった他は実施例4と同様とした。
第2のマトリックスを付与しなかった他は実施例4と同様とした。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりがなく、その端部まで繊維が均等に流動していた。また、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率は27GPaと実施例4と同等、また、引張強度に関しても320MPaと高い値が発現し、そのCV値も3%とバラツキの小さい結果となったが、実施例4と比較すると引張強度が低かった。
<繊維長さの比較(表4)>
(比較例7、8)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの間隔L(繊維長さ)が異なる以外は、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれLは、比較例7では7.5mm、比較例8では120mmとした。これに伴い、積層基材において、配向方向が同一である隣接する層において、一方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Lの0.5倍ずつ、ずれることになり、この繊維長手方向へのずれはそれぞれ、比較例7が3.75mm、比較例8が60mmとなる。
(比較例7、8)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの間隔L(繊維長さ)が異なる以外は、実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれLは、比較例7では7.5mm、比較例8では120mmとした。これに伴い、積層基材において、配向方向が同一である隣接する層において、一方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層の切込プリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Lの0.5倍ずつ、ずれることになり、この繊維長手方向へのずれはそれぞれ、比較例7が3.75mm、比較例8が60mmとなる。
比較例7においては、得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりなく、その端部まで繊維が十分に流動していた。ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていたが、引張弾性率は37GPa、引張強度が330MPa、と実施例1や実施例8〜10と比較して低い値となった。比較例8については、得られた繊維強化プラスチックは、金型のキャビティ全面に繊維が流動しきっておらず、端部に樹脂リッチ部が見られた。繊維はうねり、ソリも発生した。
<切り込み長さの比較(表5)>
(比較例9)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの長さWを100.1mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向に100mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂からなる不織布基材を3×240mmの矩形状に裁断した後、切込プリプレグ基材の両面にすべての切り込みが略中心になるように配置した。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
(比較例9)
実施例1の切り込みパターンにおいて、切り込みの長さWを100.1mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直交方向に100mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂からなる不織布基材を3×240mmの矩形状に裁断した後、切込プリプレグ基材の両面にすべての切り込みが略中心になるように配置した。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりなく、その端部まで繊維が充分に流動しており、ソリもなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。引張弾性率40GPa、引張強度は440MPaとまずまず高い値であり、引張強度のCV値も3%とバラツキの小さい結果であったが、繊維束端部が大きいため、ヒケが実施例1や実施例11と比較して目立った。
(比較例10)
実施例1の切り込みパターンにおいて、実施例13〜15と同様に回転ローラーを用いて、切り込み長さWが0.025mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直行方向に0.02mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂として実施例1と同様の不織布基材を図5c)のように3mm幅の帯状とし、繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
実施例1の切り込みパターンにおいて、実施例13〜15と同様に回転ローラーを用いて、切り込み長さWが0.025mmとした。これに伴い、隣り合う切り込みの列は繊維直行方向に0.02mmずれている。さらに、第2のマトリックス樹脂として実施例1と同様の不織布基材を図5c)のように3mm幅の帯状とし、繊維直交方向に切り込みの列が覆われるように配置した(繊維方向に±1.5mm)。その他は実施例1と同様に、積層、成形した。
得られた繊維強化プラスチックは、金型との摩擦を受ける表面部で端部まで繊維が十分流動してない部位があった。そりはなかったが、切り込み長さが小さいため繊維が30mm以下に分断されていない部位があるせいか、繊維のうねりが目立った。
<繊維含有率の比較(表6)>
(比較例11、12)
実施例1のプリプレグ基材の単位面積あたりの炭素繊維重さを変えることにより炭素繊維の体積含有率Vfを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれ比較例11が単位面積あたりの炭素繊維重さが158g/m2、比較例12が90g/m2とし、第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材のVfをそれぞれ比較例11が70%、比較例12が40%とした。その後、実施例1と同様に第2のマトリックスを付与することで、最終的な切込プリプレグ基材のVfはそれぞれ比較例11が68%、比較例12が38%とした。
(比較例11、12)
実施例1のプリプレグ基材の単位面積あたりの炭素繊維重さを変えることにより炭素繊維の体積含有率Vfを変えた以外は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。それぞれ比較例11が単位面積あたりの炭素繊維重さが158g/m2、比較例12が90g/m2とし、第1のマトリックス樹脂を含浸したプリプレグ基材のVfをそれぞれ比較例11が70%、比較例12が40%とした。その後、実施例1と同様に第2のマトリックスを付与することで、最終的な切込プリプレグ基材のVfはそれぞれ比較例11が68%、比較例12が38%とした。
比較例11で得られた繊維強化プラスチックは繊維がうねり、金型との摩擦を受ける表面部で端部まで繊維が流動していなかった。表面部には樹脂欠けがあり、外観品位は悪く、ソリも発生した。比較例12で得られた繊維強化プラスチックはソリがなく、良好な外観品位、平滑性を保っていた。しかしながら、引張弾性率30GPa、引張強度330MPaと実施例1や実施例16〜18と比較してかなり低い値であった。
<第2のマトリックス樹脂の付与面積の比較(表8、9)>
(比較例13〜15)
第2のマトリックス樹脂である不織布基材の付与面積が異なる他は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。比較例13は不織布基材を矩形に裁断する際、0.2×12mmのサイズとし、矩形の12mmの辺が繊維直交方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±0.1mm)。比較例14は不織布基材を切込プリプレグ基材全面に配置した。比較例15は不織布基材を矩形に裁断する際、3×5mmのサイズとし、切り込みが略中心となり矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上の配置した(繊維方向に±1.5mm)。
(比較例13〜15)
第2のマトリックス樹脂である不織布基材の付与面積が異なる他は実施例1と同様にして繊維強化プラスチックを得た。比較例13は不織布基材を矩形に裁断する際、0.2×12mmのサイズとし、矩形の12mmの辺が繊維直交方向となるように切込プリプレグ基材上に配置した(繊維方向に±0.1mm)。比較例14は不織布基材を切込プリプレグ基材全面に配置した。比較例15は不織布基材を矩形に裁断する際、3×5mmのサイズとし、切り込みが略中心となり矩形の3mmの辺が繊維長手方向となるように切込プリプレグ基材上の配置した(繊維方向に±1.5mm)。
得られた繊維強化プラスチックはいずれも繊維のうねりはなく、いずれも良好な外観品位、平滑性を保っていた。比較例13、15の引張弾性率はいずれも42GPaと高かったが、比較例14の引張弾性率は31GPaと低かった。これは、第2のマトリックス樹脂を大量に付与したため繊維含有率Vfが大幅に下がったことが原因と考えられる。一方、引張強度は比較例13〜15で400〜430MPaと実施例1や実施例24〜29と比較して低い値となった。比較例13は切り込みを覆う不織布基材が極めて小さく、切込プリプレグ基材を作成する段階でしっかり切り込みを覆うよう制御出来なかったことが原因と考えられた。比較例14では前述の通り、第2のマトリックス樹脂の付与量が多かったためにVfが下がり、強度向上効果が低く見積もられてしまったことが原因と考えられた。比較例15では切り込みを覆う不織布基材の幅が切り込み長さの半分と小さかったために、成形時にも不織布基材が溶解・流動して切り込みを覆いきることが出来なかったことが原因と考えられた。
1:繊維長手方向
2:繊維直交方向
3:強化繊維
4:切り込み
5:互いに切り込んでいる幅
6:繊維方向に対になる切り込み同士の間隔L(繊維長さL)
7:断続的な切り込みの列
7a:第1の断続的な切り込みの列
7b:第2の断続的な切り込みの列
7c:第3の断続的な切り込みの列
7d:第4の断続的な切り込みの列
8:切り込みの長さ中心
9:切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWs
10:本発明の切込プリプレグ基材
11:第2のマトリックス樹脂
12:切込プリプレグ基材厚みH
13:投影長さWs×0.8
14:投影長さWs×2
15:切り込み形状に接線接合する直線
16:第2のマトリックス樹脂の付与最小範囲
17:第2のマトリックス樹脂の付与最大範囲
18:繊維束端部
19:隣接層
20:樹脂リッチ部
21:層間
22:荷重方向
23:亀裂
24:繊維束端部の側面部
2:繊維直交方向
3:強化繊維
4:切り込み
5:互いに切り込んでいる幅
6:繊維方向に対になる切り込み同士の間隔L(繊維長さL)
7:断続的な切り込みの列
7a:第1の断続的な切り込みの列
7b:第2の断続的な切り込みの列
7c:第3の断続的な切り込みの列
7d:第4の断続的な切り込みの列
8:切り込みの長さ中心
9:切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWs
10:本発明の切込プリプレグ基材
11:第2のマトリックス樹脂
12:切込プリプレグ基材厚みH
13:投影長さWs×0.8
14:投影長さWs×2
15:切り込み形状に接線接合する直線
16:第2のマトリックス樹脂の付与最小範囲
17:第2のマトリックス樹脂の付与最大範囲
18:繊維束端部
19:隣接層
20:樹脂リッチ部
21:層間
22:荷重方向
23:亀裂
24:繊維束端部の側面部
Claims (14)
- 一方向に引き揃えられた強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とからなるプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に強化繊維を横切る方向へ断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、実質的にすべての強化繊維が前記切り込みにより分断され、前記切り込みにより分断された強化繊維の繊維長さLが10〜100mm、切り込みを強化繊維の垂直方向に投影した投影長さWsが30μm〜50mmの範囲内であり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内であり、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上を成し、前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が、前記プリプレグ基材の少なくとも一方の表面上に、プリプレグ基材厚みHに対して前記切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込み投影長さWsに対して繊維直交方向に0.8Ws〜2Wsの範囲内に配置されている切込プリプレグ基材。
- 前記第2のマトリックス樹脂の形態がフィルム状、または不織布状であり、かつ、前記第2のマトリックス樹脂が強化繊維により形成される層内に入りこまずにプリプレグ基材表面上に層状に配置されている請求項1に記載の切込プリプレグ基材。
- 前記投影長さWsが30μm〜1.5mmの範囲内である、請求項1または2に記載の切込プリプレグ基材。
- 前記投影長さWsが1〜50mmの範囲内である、請求項1または2に記載の切込プリプレグ基材。
- 前記切り込みが繊維直交方向から傾いている、請求項1〜4のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
- 前記強化繊維が炭素繊維である、請求項1〜5のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
- 前記第1のマトリックス樹脂がエポキシ樹脂であり、かつ、前記第2のマトリックス樹脂がポリアミド樹脂である、請求項1〜6のいずれかに記載の切込プリプレグ基材。
- 請求項1〜7にいずれか記載の切込プリプレグ基材を少なくとも一部に有してなる積層基材であって、強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材が複数枚積層され、前記強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材が、該プリプレグ基材の繊維方向が少なくとも2方向以上に配向して一体化されている積層基材。
- 前記積層基材が請求項1〜7にいずれか記載の切込プリプレグ基材のみからなり、前記プリプレグ基材が擬似等方に積層されてなる積層基材。
- 請求項8または9の積層基材を成形して得られる繊維強化プラスチック。
- 強化繊維と第1のマトリックス樹脂と第2のマトリックス樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層を2層以上含む積層構造を有する繊維強化プラスチックであって、前記繊維強化プラスチックの繊維体積含有率Vfは45〜65%の範囲内であり、かつ、前記第1のマトリックス樹脂がマトリックス樹脂全体の90体積%以上をなしており、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の少なくとも1層は、全面が繊維長さLが10〜100mmの範囲内の強化繊維により構成され、層を厚み方向に貫く繊維束端部を複数有し、かつ、該層と該層に隣接する層の間に前記第1のマトリックス樹脂より引張伸度の高い第2のマトリックス樹脂が該層内に入りこまずに層状に配置されている層間補強部を少なくとも一層配置されており、該層間補強部は、前記強化繊維が実質的に一方向に引き揃えられた層の厚みHに対して前記繊維束端部から繊維方向の両方向にH〜100Hの範囲内にある繊維強化プラスチック。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の切込プリプレグ基材の製造方法であって、強化繊維を一方向に引き揃えて第1のマトリックス樹脂を含浸して予備プリプレグ基材を準備し、前記予備プリプレグ基材に貫層した切り込みを入れた後、前記予備プリプレグ基材の表面上に層状に前記第2のマトリックス樹脂を配置して、前記切り込み部を第2のマトリックス樹脂で覆う切込プリプレグ基材の製造方法。
- 前記予備プリプレグ基材に貫層した切り込みを入れる手段が、所定の位置に刃を配置した回転刃ローラーを押し当てるものである請求項12に記載の切込プリプレグ基材の製造方法。
- 前記第2のマトリックス樹脂を配置する手段が、プリプレグ基材厚みHに対して前記切り込みから繊維方向の両方向にH〜100H、切り込みの投影長さWsに対して繊維垂直方向に0.8Ws〜2Wsの寸法に裁断されたシート状の第2のマトリックス樹脂を、前記切り込み部を覆う位置に予め配置した予備シートを用いて貼り付けるものである請求項12または13に記載の切込プリプレグ基材の製造方法。
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