JP2009167349A - プリプレグ及び繊維補強複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】不織布の取り扱いを容易にしながら、耐衝撃性を高めることが可能なプリプレグ及び繊維補強複合材料を提供する。
【解決手段】長繊維からなる補強繊維２ａを配向した補強基材２を熱硬化性マトリックス樹脂中に埋設してなるプリプレグ１において、補強基材２より少なくとも一方のプリプレグ表面側に熱可塑性樹脂製の長繊維４ａを補強繊維２ａの配向方向に配向した不織布４を配置する。繊維補強複合材料は、プリプレグ１を複数積層して硬化させてなる。不織布４の目付としては３〜３０ｇ／ｍ^２の範囲がよく、不織布４の長繊維４ａを構成する熱可塑性樹脂の主成分としてはポリエステルが好ましく使用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂としたプリプレグ及び繊維補強複合材料に関し、更に詳しくは、耐衝撃性に優れたプリプレグ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、軽量で耐熱性が高く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、プリプレグの表面に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）。しかしながら、このように有機繊維をランダムに配向した不織布は、以下のような問題ある。

不織布の追加はプリプレグのタックやドレイプに影響するので、できるだけ目付けが低いもの（３０ｇ／ｍ^２以下）がよいが、そのような不織布は取り扱い時に加わる張力により変形や破断が発生し易く、それを回避するために張力を緩めると、蛇行やうねり（しわ）が発生し易くなり、取り扱いに難がある。
特開平１０−１５８４１７号公報

本発明の目的は、不織布の取り扱いを容易にしながら、耐衝撃性を高めることが可能なプリプレグ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プリプレグは、長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材を熱硬化性マトリックス樹脂中に埋設したプリプレグにおいて、該補強基材より少なくとも一方のプリプレグ表面側に熱可塑性樹脂製の長繊維を前記補強繊維の配向方向に配向した不織布を配置したことを特徴とする。

本発明の繊維補強複合材料は、上記プリプレグを複数積層して硬化させて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、不織布に一方向から張力を加えても不織布に変形や破断が発生し難くなり、不織布の取り扱いが容易となる。

他方、不織布には靭性に優れた熱可塑性樹脂を用いるので、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えることができる。従って、衝撃による内部破壊を抑え、耐衝撃性を向上することができる。

しかも、不織布の長繊維を補強繊維の配向方向に配向することで、不織布をロールから引き出しながらプリプレグを製造することが可能になるので、プリプレグの生産性が阻害されることがない。

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は本発明のプリプレグの一実施形態を示し、このプリプレグ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を熱硬化性マトリックス樹脂からなる樹脂層３中に埋設した構造になっている。補強基材２より樹脂層３の上面３ａ側には、熱可塑性樹脂製の長繊維４ａを補強繊維２の配向方向に配向(延在)させた配向性の不織布４が埋設されている。不織布４は、図３に示すように、補強基材２より樹脂層３の下面３ｂ側にも埋設してもよく、少なくとも一方のプリプレグ表面側に配置するようにすればよい。

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、アラミド繊維などの有機または無機繊維を挙げることができる。好ましくは、強度３０００ＭＰａ以上の炭素繊維が強度の点からよい。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。

熱硬化性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、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。好ましくは、２官能以上のエポキシ樹脂を主成分とするものを使用するのが複合材成形性の点からよい。

不織布４の長繊維４ａ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４ａ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、入手性とコストの点からよい。

不織布４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、不織布４に対してマトリックス樹脂が含浸し難くなり、プリプレグ１の作業性（タックやドレイプ）を良好な状態に維持できなくなることに加えて、プリプレグ１層当たりの厚みが厚くなりすぎる結果をもたらす。好ましくは、プリプレグ厚み増加の最小限化及び作業性維持の点から１０ｇ／ｍ^２以下にするのがよい。

不織布４は、各長繊維４ａが補強繊維２ａの配向方向に対して平行に延在する必要はなく、補強繊維２ａの配向方向に対して平面視で５度以下で延在する長繊維４ａの比率が全体の４０〜１００％の範囲であればよい。比率が４０％より低いと、ランダム配列した不織布と同様の問題が生じる。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。

熱硬化性マトリックス樹脂と不織布４の重量の総和としては、プリプレグ全重量の３０〜６０重量％に範囲にするのがよい。重量の総和が３０重量％より低いと、成形品に樹脂欠損などの欠陥を生じ易くなる。逆に６０重量％を超えると、成形品物性に対する繊維の寄与率が下がり、十分な強度が得られ難くなる。

上述した図１に示すプリプレグ１は、例えば、図４に示すようにして製造することができる。幅方向に配列した複数のリール１１から引き出された補強繊維２ａの群の上側に、ロール１２から引き出された不織布４をローラー１３を介して供給し、補強繊維２ａ群と不織布４を上下に並べて搬送する。上下のロール１４から樹脂フィルム１５を巻き出して加熱ローラー１６により樹脂フィルム１５を加熱圧着し、樹脂フィルム１５の樹脂を並走する補強繊維２群と不織布４に含浸させることで、長尺の図１に示す構成のプリプレグ１を得ることができる。なお、図中１７は離型紙で、この上に樹脂を塗布することにより樹脂フィルム１５を形成している。１８は離型紙の巻き取りロールである。

本発明の繊維補強複合材料は、上述したプリプレグ１を複数積層して加熱により硬化させたものである。

上述した本発明によれば、配向性の不織布４を使用することで、一方向から張力を加えても不織布４が容易に変形や破断しなくなるため、取り扱いが容易になる。

不織布４に靭性に優れた熱可塑性樹脂を使用するので、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することができる。そのため、衝撃による内部破壊を抑えることができるので、耐衝撃性を高めることができる。

更に、不織布４の長繊維４ａを補強繊維２の配向方向に配向することで、図４に示すように、不織布４をロール１２から引き出しながらプリプレグ１を製造することが可能になるので、プリプレグの生産性が阻害されることがない。

本発明は、上記実施形態では、不織布４として、長繊維４ａ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４ａ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。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。

また、上述したプリプレグ１は、補強基材２として一方向に引き揃えた補強繊維２ａからなる例を挙げたが、それに限定されず、織物からなる補強基材２を用いたものであってもよい。

表１に示す補強繊維とマトリックス樹脂及び配向性の不織布（ポリエステル使用）を用いたプリプレグを２４層（補強繊維を４５°ずつずらして積層した４層のプリプレグ×６）積層し、温度１８０℃、６気圧の条件下で２時間硬化させた繊維補強複合材料（実施例１〜５）と不織布がない繊維補強複合材料（比較例）をそれぞれ作製した。不織布の目付、補強繊維の配向方向に対して５度以下で延在する長繊維の比率、プリプレグ全重量に対する熱硬化性マトリックス樹脂と不織布の重量の総和比率は表１に示す通りである。

これら各繊維補強複合材料から試験片を切出し、２７０ｌｂ−ｉｎの衝撃付与後、圧縮強度を測定したところ、表１に示す結果を得た。本試験方法はＳＡＣＭＡ(Supplier of Advanced Composite Materials Association)ＳＲＭ２に準拠した。

表１から、本発明は、不織布がない比較例より、衝撃後の圧縮強度が３００ＭＰａ前後と大幅に高く、高い耐衝撃性を確保できることがわかる。

本発明のプリプレグの一実施形態を示す断面説明図である。 図１の横断面を部分的に示す断面図である。 本発明のプリプレグの他の実施形態を示す断面説明図である。 本発明の図１のプリプレグの製造方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ プリプレグ
２ 補強基材
２ａ 補強繊維
３ 樹脂層
３ａ 上面
３ｂ 下面
４ 不織布
４ａ 長繊維

Claims (8)

1. 長繊維からなる補強繊維を配向した補強基材を熱硬化性マトリックス樹脂中に埋設したプリプレグにおいて、該補強基材より少なくとも一方のプリプレグ表面側に熱可塑性樹脂製の長繊維を前記補強繊維の配向方向に配向した不織布を配置したプリプレグ。
2. 前記不織布の目付が３〜３０ｇ／ｍ^２である請求項１に記載のプリプレグ。
3. 前記不織布は前記補強繊維の配向方向に対して５度以下で延在する長繊維の比率が４０〜１００％である請求１または２に記載のプリプレグ。
4. 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３のいずれか１項に記載のプリプレグ。
5. 前記補強繊維が強度３０００ＭＰａ以上の炭素繊維である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプリプレグ。
6. 前記熱硬化性マトリックス樹脂と不織布の重量の総和が、プリプレグ全重量の３０〜６０重量％である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプリプレグ。
7. 前記熱硬化性マトリックス樹脂が２官能以上のエポキシ樹脂を主成分とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプリプレグ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプリプレグを複数積層して硬化させてなる繊維補強複合材料。

Images