JP2009166428A

JP2009166428A - 繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材

Info

Publication number: JP2009166428A
Application number: JP2008009456A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Ito; 友裕伊藤; Masato Tadokoro; 眞人田所
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP5151499B2

Abstract

【課題】ＲＴＭにより成形した際の樹脂含浸性を改善することが可能な繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料を提供する。
【解決手段】本発明の繊維補強複合材料１の成形方法は、成形型１０内に長繊維からなる補強繊維２ａを配向した補強基材２と不織布３を積層してなる積層体４を配置した後、成形型１０内に熱硬化性マトリックス樹脂を注入する。不織布３は、熱可塑性樹脂製の長繊維３ａを配向した不織布から構成されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、熱硬化性或いは常温硬化系の樹脂中に補強繊維を埋設してなる繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料に関し、更に詳しくは、ＶａＲＴＭ(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding:真空圧樹脂含浸成形法)などのＲＴＭ(Resin Transfer Molding:樹脂含浸成形法)により成形した際の樹脂含浸性を改善するようにした繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料に関する。

炭素繊維などの補強繊維に熱硬化性マトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを積層して硬化させた繊維補強複合材料は、軽量で機械的強度も高いため、航空機の構造材料として広く適用されている。しかし、マトリックス樹脂の伸度が低くて脆いため、靭性（耐衝撃性）に劣る欠点があり、衝撃を受けた際の内部破壊により強度が低下するという問題がある。

そこで、従来、上記対策として、例えば、靭性に優れた熱可塑性の有機繊維をランダムに配向した不織布を補強繊維間に配置することにより、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、そのような補強繊維と不織布を積層し、ＲＴＭにより成形することが提案されている(例えば、特許文献２参照)。

しかしながら、ＲＴＭにより成形した際に、型内に注入した樹脂の流れが非配向性の不織布により阻害され、それにより樹脂欠損の問題が発生し、樹脂含浸性に難がある。
特開平１０−１５８４１７号公報ＷＯ００／５６５３９号公報

本発明の目的は、ＲＴＭにより成形した際の樹脂含浸性を改善することが可能な繊維補強複合材料の成形方法及び繊維補強複合材料を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の繊維補強複合材料の成形方法は、成形型内に長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を配置した後、前記成形型内に熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂を注入して繊維補強複合材料を成形する方法であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなることを特徴とする。

本発明の繊維補強複合材料は、長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂中に埋設した繊維補強複合材であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなることを特徴とする。

上述した本発明によれば、配向性の不織布を用いるため、ＲＴＭにより成形した際に、成形型内に注入した樹脂が不織布の長繊維の配向方向に沿って流れ易くなるため、樹脂の欠損の改善が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１，２は本発明の繊維補強複合材料の一実施形態を示す。繊維補強複合材料１は、長繊維からなる補強繊維２ａを一方向に引き揃えて配向させた補強基材２と、熱可塑性樹脂製の長繊維３ａを配向した不織布３とを積層してなる積層体４を熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂からなる樹脂層５中に埋設した構造になっている。補強基材２と不織布３は交互に積層され、不織布３が各補強基材２間に配設されている。不織布３に靭性に優れた熱可塑性樹脂を使用することで、従来の非配向性の不織布と同様に、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制し、それにより衝撃による内部破壊を抑えて耐衝撃性を高めるようにしている。

補強基材２は擬似等方性となるように積層されている。その補強基材２の補強繊維２ａとしては、従来公知のものが使用でき、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維などの有機または無機繊維を挙げることができる。補強繊維２ａの形態は、長繊維状モノフィラメントであっても、これらを束にしたものであってもよいし、また織物、ノンクリンプ織物、編物でもよい。補強基材２は上記のように擬似等方にして積層するのが好ましいが、必ずしもそれに限定されない。

補強繊維２ａが繊維補強複合材料１に占める割合としては、繊維補強複合材料１の全体積の４０〜６５体積％の範囲にするのがよい。補強繊維２ａの割合が繊維補強複合材料１の全体積の４０体積％より低いと、複合材物性に対する繊維の寄与率が下がり、十分な複合材物性が得られ難くなる。逆に６５体積％を超えると、樹脂欠損などの欠陥を生じ易くなる。

配向性の不織布３の長繊維３ａに使用する熱可塑性樹脂としては、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂の伝播を抑制することができれば、いずれの熱可塑性樹脂を使用してもよく、例えば、ポリエステル、ポリアラミド、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォンなどを挙げることができる。これらの樹脂を単独、或いは２つ以上ブレンドして使用することができる。好ましくは、長繊維３ａを構成する熱可塑性樹脂の主成分をポリエステルにするのが、入手性及びコストの点からよい。

不織布３の目付としては、３〜３０ｇ／ｍ^２の範囲にするのが好ましい。不織布４の目付が３ｇ／ｍ^２より低くなると、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂の伝播を効果的に抑制することが難しくなる。逆に３０ｇ／ｍ^２を超えると、ＲＴＭにより成形した際の樹脂含浸性を改善することが難しくなる。好ましくは、軽量化と作業性の点から１５ｇ／ｍ^２以下にするのがよい。

マトリックス樹脂に使用する樹脂としても、従来と同様のものが使用でき、例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。また、ビニルエステル樹脂やエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂による常温硬化型のマトリックス樹脂を用いてもよい。

以下、図３〜７を参照しながら、上述した繊維補強複合材料１を成形する本発明の方法について説明する。

先ず、図３に示すように、成形型１０の下型１１内に、長繊維からなる補強繊維２ａを一方向に引き揃えて配向させた補強基材２と熱可塑性樹脂製の長繊維３ａを配向した不織布３を積層してなる積層体４を配置する。その際、下型１１内に補強基材２と不織布３を交互に積層しながら積層体４を形成するようにしてもよく、また図４に示すように、予め下型１１外で積層体４を形成し、それを下型１１内にセットするようにしてもよい。下型１１の外部で積層体４を形成する場合は、積層した補強基材２と不織布３を縫い合わせて両者を固定しておくのが、移動の際などに両者がずれるのを防止する上でよい。

不織布３は、好ましくは、図５に示すように、ロール２０に巻き取られた長尺の不織布３０をロール２０から引き出して切断することにより形成するのがよく、これにより所定長さの不織布３を容易に形成することができる。

積層体４を下型１１内に配置した後、図６に示すように、成形型１０の上型１２を閉じる。次いで、図７に示すように、上型１２に形成した吸引口１３から真空吸引して成形型１０の内部を負圧にする一方、下型１１に形成した樹脂注入口１４から成形型１０内に液状の熱硬化性マトリックス樹脂を注入する。注入後、成形型１０をオーブン中で加熱し、図１に示す繊維補強複合材料１を得る。

上述した本発明によれば、配向性の不織布３を使用することで、ＲＴＭによる成形した際に、成形型１０内に注入した樹脂が不織布３の長繊維３ａの配向方向に沿って流れ易くなるため、樹脂が成形型１０内で従来より円滑に流れることができる。その結果、樹脂の欠損が改善され、樹脂含浸性の向上が可能になる。

本発明において、配向性の不織布３は、各長繊維３ａが平行で同じ方向に配向している必要はなく、所定の配向方向に対して５度以下の角度で延在する長繊維３ａの比率を全体の４０〜１００％の範囲とするのが、上述した樹脂含浸性を向上する上でよい。不織布３をロール２０から引き出して形成する場合、長繊維３ａの配向方向は引き出し方向になるため、上記５度以下の角度は引き出し方向に対する角度である。なお、ここで言う５度以下の角度とは、長繊維３ａの任意の位置で３０ｃｍの長さを取り、その両端間を直線で結んだ時の直線の角度である。

本発明は、上記実施形態では、不織布３として、長繊維３ａを一方向に配向したものを挙げたが、それに加えて、更に熱可塑性樹脂製の長繊維を長繊維４ａと略直交する方向（補強繊維２ａの配向方向と略直交する方向）に配向（延在）するようにした不織布であってもよい。その場合、不織布の目付は、長繊維４ａについて少なくとも３ｇ／ｍ^２確保し、合計で３０ｇ／ｍ^２以下とするのがよい。また、上記した比率は、長繊維３ａと略直交する方向に延在する熱可塑性樹脂製の長繊維も含めた比率である。この場合も、長繊維３ａの比率が４０体積％以下とならにように構成するのがよい。なお、ここで言う略直交するとは、直交する方向に対して±５度の角度範囲を言う。

本発明の繊維補強複合材料の一実施形態を示す拡大断面図である。図１の繊維補強複合材料の要部拡大横断面図である。積層体を配置する工程を示す説明図である。積層体を形成する他の工程を示す説明図である。不織布を形成する好ましい工程を示す説明図である。閉型する工程を示す説明図である。樹脂を注入する工程を示す説明図である。

符号の説明

１繊維補強複合材料
２補強基材
２ａ補強繊維
３不織布
３ａ長繊維
４積層体
５樹脂層

Claims

成形型内に長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を配置した後、前記成形型内に熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂を注入して繊維補強複合材料を成形する方法であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなる繊維補強複合材料の成形方法。
前記不織布の目付が３〜３０ｇ／ｍ^２である請求項１に記載の繊維補強複合材料の成形方法。
前記不織布がロールに巻き取られた長尺の不織布をロールから引き出して切断することにより形成される請求項１または２に記載の繊維補強複合材料の成形方法。
前記不織布は引き出し方向に対して５度以下で延在する長繊維の比率が４０〜１００％である請求項３に記載の繊維補強複合材料の成形方法。
前記不織布の長繊維を構成する熱可塑性樹脂の主成分がポリエステルである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の繊維補強複合材料の成形方法。
前記補強繊維が繊維補強複合材料の全体積の４０〜６５体積％である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の繊維補強複合材料の成形方法。
長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材と不織布を積層してなる積層体を熱硬化性または常温硬化系のマトリックス樹脂中に埋設した繊維補強複合材であって、前記不織布が熱可塑性樹脂製の長繊維を配向した不織布からなる繊維補強複合材料。
前記不織布の目付が３〜３０ｇ／ｍ^２である請求項７に記載の繊維補強複合材料。
前記不織布の長繊維を構成する熱可塑性樹脂の主成分がポリエステルである請求項７または８に記載の繊維補強複合材料。
前記補強繊維が繊維補強複合材料の全体積の４０〜６５体積％である請求項７乃至９のいずれか１項に記載の繊維補強複合材料。