JP2010202824A - 面状複合体 - Google Patents

Abstract

【課題】ドレープ性に優れたプリプレグとして有用な面状複合体を提供すること。
【解決手段】 幅０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの規則的な凹凸を表面に有する熱可塑性樹脂層と、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層とから構成され繊維層には熱可塑性樹脂が部分含浸されていることを特徴とする面状複合体。
【選択図】なし

Description

本発明はドレープ性に優れたプリプレグとして有用な面状複合体、およびその製造方法に関するものである。

近年、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度、比剛性を利用して、航空機等の構造材として多く用いられてきている。これらの複合材料は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸された中間製品であるプリプレグから、加熱・加圧・賦形といった成形・加工工程を経て成形される場合が多い。

従来のプリプレグは、そのほとんどは、マトリックス樹脂を強化繊維に完全に含浸したものが使用されている。これらの完全含浸プリプレグを成形する場合、成形時に層間に空気が閉じ込められ、成形物中にボイドが発生することで物性が低下してしまうという問題があり、高圧で成形を行う必要があった。

そこで、近年では、部分的にマトリックス樹脂を強化繊維に含浸した部分含浸プリプレグが提案され、成形時に未含浸部分の強化繊維を空気の脱気路とすることで、従来のプリプレグより低圧でボイドの少ない成形物を得る手法が用いられるようになってきている。

提案されている部分含浸プリプレグとしては、例えば、強化繊維層（Ｆ）が１層とマトリックス樹脂層（Ｍ）が１層の計２層からなるもの（タイプＦ／Ｍ）、強化繊維層（Ｆ）が１層とマトリックス樹脂層（Ｍ）の２層の計３層からなるもの（タイプＭ／Ｆ／Ｍ）、強化繊維層（Ｆ）が２層とマトリックス樹脂層（Ｍ）の１層の計３層からなるもの（タイプＦ／Ｍ／Ｆ）がある。

主としてエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂組成物に関して特許文献１では、タイプＦ／ＭとタイプＭ／Ｆ／Ｍが記載されており、特許文献２では、タイプＦ／ＭとタイプタイプＦ／Ｍ／Ｆが記載され、また特許文献３では、プリプレグの厚み方向に通気パスを設ける部分含浸プリプレグが提案されている。

しかしこれらの手法は、いずれもマトリックス樹脂層への強化繊維層の含浸深さがプリプレグの幅方向において均一であるため、マトリックス樹脂層が熱可塑性樹脂の場合は、部分含浸プリプレグは、剛直なシート状となり、ドレ−プ性が乏しくなり、複雑な形状物への適用が難しいという難点があった。ドレープ性を付与するため、未含浸部分を増すと強化繊維層とマトリックス樹脂層が分離しやすくなり、裁断時の毛羽立ちが増加し、ハンドリングできないという問題があった。
一方特許文献４には、凹凸を形成した面を該樹脂成形体の一面または複数面に有することで接着性能に優れた強化繊維含有樹脂成形体の記載がある。

特表２００１−５１１８２７号公報 国際公開第００／２７６３２号パンフレット 特開２００２−２４９６０５号公報 特開平１０−２９６８６６号公報

本発明の目的は従来の熱可塑性樹脂プリプレグでは賦形ができなかったような形状にも適応可能なドレープ性の優れたプリプレグを提供することである。

本発明は、幅０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの規則的な凹凸を表面に有する熱可塑性樹脂層と、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層とから構成され繊維層には熱可塑性樹脂が部分含浸されていることを特徴とする面状複合体である。

本発明の面状複合体を用いることで、従来の熱可塑性樹脂プリプレグでは賦形ができなかったような自由形状の成形が可能になる。

面状複合体の断面の模式図。 面状複合体の凹凸形状の一例の模式図。 実施例１の面状複合体のエンボス形状写真。 実施例１の面状複合体の切断面の断面写真。

本発明は、幅０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの規則的な凹凸を表面に有する熱可塑性樹脂層と、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層とから構成され繊維層には熱可塑性樹脂が部分含浸されていることを特徴とする面状複合体である。ここで部分含浸とは熱可塑性樹脂が繊維層に部分的、すなわち繊維層の厚み方向でみて完全には含浸されていない状態、繊維層厚さの０．１〜５０％程度、好ましくは０．５〜１０％程度、熱可塑性樹脂により含浸されている状態である。本発明の面状複合体は、繊維層に熱可塑性樹脂が部分的に含浸されていることで自由形状の成形が可能となるプリプレグとして用いることができる。
熱可塑性樹脂層について凹凸を表面に有するとは、熱可塑性樹脂層の二面のうち繊維層側とは異なる面、すなわち外表面に凹凸を有するとの意味である。

本発明の面状複合体の凹凸構造は幅０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの規則的な構造であるが、幅は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、高さは０．５ｍｍ〜２．０ｍｍが好ましい。凹凸の幅が０．１ｍｍよりも小さいと凸部と凹部の境界が曖昧となりドレープ性が失われ、幅が１００ｍｍよりも大きいと凹部の樹脂含浸部分が広くなりドレープ性が失われる。高さ０．１ｍｍ以下では本発明によるドレープ性の効果は小さく、高さ３．０ｍｍ以上だと面状複合体が嵩高くなるためドレープ性が失われる。図１に示すとおり、凹凸構造における幅とは凸部の幅であり、高さとは凸部の高さである。

本発明の面状複合体の繊維層を構成する繊維は、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上であるが、具体的には炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が挙げられる。なかでも比弾性率が１００ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。比弾性率１００ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維として具体的にはアラミド繊維、炭素繊維が挙げられる。比弾性率は、繊維軸方向の弾性率（ＧＰａ）を密度（ｇ／ｃｍ^３）で除した値である。

本発明の面状複合体を構成する熱可塑性樹脂の種類は特に限定は無く、具体的にはポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ナイロン等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂等を挙げることができる。

本発明の面状複合体は、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層と熱可塑性樹脂層との積層体を得て、さらに熱可塑性樹脂層の表面に凹凸処理を行ことによって、好ましく得られる。

本発明の面状複合体の断面模式図を図１に示す。凹凸処理によって繊維層には熱可塑性樹脂が含浸される。繊維層における含浸の様子は、面状複合体の断面を顕微鏡により５０〜５００倍で観察することができ、これにより凹部での繊維層への樹脂含浸深さｄ１、および、凸部における樹脂含浸深さｄ２を求めることができる。

熱可塑性樹脂層の樹脂の形態はエンボスローラー等を用いることにより凹凸処理が可能であれば良く、具体的には不織布状、シート状、フィルム状、パウダー状または、溶融樹脂をキャストする方法が挙げられるが、取り扱い性とドレープ性から特に不織布状が好ましい。不織布状とは例えばメルトブロー法により作製され、樹脂からなる単繊維同士が複数本交絡または接着したようなものである。

本発明の面状複合体の凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。さらには凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。具体的形状の模式図を図２に例示するが、凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されていること、さらには凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。具体的には縞状、格子状、または斜め格子状のものが挙げられる。また凹凸の形状はとくに限定はなく、丸、四角、ハニカム状でも良い。

本発明における繊維層の形態としては特に限定はないが、繊維束を経糸及び／又は緯糸として使用した平織物、綾織物、朱子織物や、平行に引き揃えた強化繊維束の集合からなる一方向織物、二方向織物、多軸織物等が挙げられる。あるいは、強化繊維からなる不織布、マット、ニット、組み紐などであっても良い。多軸織物とは、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層し、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復しステッチした織物をいう。繊維層の厚みは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、繊維層を構成する繊維径は５μｍ〜３０μｍが好ましい。

本発明の面状複合体の好ましい製造法としては、上述のとおり、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層と熱可塑性樹脂層との積層体を得て、さらに熱可塑性樹脂層の表面に凹凸処理を行うことである。具体的には繊維層片面へ熱可塑性樹脂層を不織布状、シート状、フィルム状、パウダー状、または、溶融状態で連続的に供給し、エンボス加工等の凹凸処理を施す方法が挙げられる。なかでも熱可塑性樹脂層は不織布状で供給することが好ましい。繊維層片面へ熱可塑性樹脂層を設ける方法としては、メルトブロー法により不織布状で連続的に供給する方法が好ましく挙げられる。

エンボス加工におけるカレンダーローラー温度としては、結晶性熱可塑性樹脂の場合、マトリックス樹脂側はガラス転移温度（Ｔｇ：℃）以上、融点（Ｔｍ：℃）以下とし、繊維層側を融点（Ｔｍ：℃）以上、融点（Ｔｍ：℃）＋５０℃以内とし、非晶性熱可塑性樹脂の場合、マトリックス樹脂側はガラス転移温度（Ｔｇ：℃）以上、溶融温度以下とし、繊維層側を溶融温度以上とすることが好ましい。

本発明の面状複合体は部分含浸プリプレグとして用いられ、十分なドレープ性を有していることから従来の熱可塑性樹脂プリプレグでは賦形ができなかったような形状にも適応可能である。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。

［実施例１］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した幅１０００ｍｍの綾織織物Ｗ３１６１（ＣＦ目付 ２００ｇ／ｍ^２）の上面にポリプロピレン樹脂（プライムポリマー社製Ｊ７０９ＱＧ）をメルトブロー法により目付け１２５ｇ／ｍ^２の不織布にして供給し、不織布側のエンボスローラーの加熱温度を１４０℃、繊維側のエンボスローラーの加熱温度を１６０℃として、線圧３ＭＰａ、ラインスピード１ｍ／ｍｉｎ．で加圧含浸し、繊維層厚み２５０μｍに対して、凸部で０．８％、凹部で８％含浸している面状複合体を得た。
得られた面状複合体の樹脂層表面の５０倍での顕微鏡写真を図３に示す。凹凸の幅は１ｍｍ、高さは０．４ｍｍであった。得られた面状複合体は、９０°の直角の形状を有する金型面に対しても割れを生じることなく賦形することができ、十分なドレープ性を有していた。
面状複合体を幅１ｃｍ、長さ５ｃｍで切り出して、切断面を１００倍で観察した（図４）。面状複合体の凹部凸部それぞれで繊維層に樹脂が部分含浸している状態が確認できた。
得られた面状複合体の凹部における繊維層への樹脂含浸深さｄ１は２μｍ、凸部における樹脂含浸深さｄ２は２０μｍであり、ｄ２／ｄ１は０．１であった。

［実施例２］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した幅１０００ｍｍの平織織物Ｗ３１０１（ＣＦ目付２００ｇ／ｍ^２）の上面にポリプロピレン樹脂（日本ポリプロ社製ＢＣ０６Ｃ、ＭＧ０５ＥＳ）をメルトブロー法により目付け１２５ｇ／ｍ^２の不織布にして供給し、不織布側のエンボスローラーの加熱温度を１４０℃、繊維側のエンボスローラーの加熱温度を１６０℃として、線圧３ＭＰａ、ラインスピード１ｍ／ｍｉｎ．で加圧含浸し、繊維層厚み２５０μｍに対して、凸部で１．０％、凹部で６％含浸している面状複合体を得た。
得られた面状複合体は、９０°の直角の形状を有する金型面に対しても割れを生じることなく賦形することができ、十分なドレープ性を有していた。凹凸の幅は１ｍｍ、高さは０．４ｍｍであった。

［実施例３］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した幅１０００ｍｍの綾織織物Ｗ３１６１（ＣＦ目付 ２００ｇ／ｍ^２）の上面にポリプロピレン樹脂（プライムポリマー社製Ｊ７０９ＱＧ）をメルトブロー法により目付け２５０ｇ／ｍ^２の不織布にして供給し、不織布側のエンボスローラーの加熱温度を１４０℃、繊維側のエンボスローラーの加熱温度を１６０℃として、線圧３ＭＰａ、ラインスピード１ｍ／ｍｉｎ．で加圧含浸し、面状複合体を得た。繊維層厚み２５０μｍに対して、凸部で０．９％、凹部で１０％含浸している面状複合体を得た。
得られた面状複合体は、９０°の直角の形状を有する金型面に対しても割れを生じることなく賦形することができ、十分なドレープ性を有していた。凹凸の幅は１ｍｍ、高さは０．４ｍｍであった。

１ 熱可塑性樹脂層
２ 繊維層
３ 凹凸幅
４ 凹凸高さ
５ 凹部

Claims (7)

1. 幅０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、高さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの規則的な凹凸を表面に有する熱可塑性樹脂層と、比弾性率が２０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上の繊維からなる繊維層とから構成され繊維層には熱可塑性樹脂が部分含浸されていることを特徴とする面状複合体。
2. 繊維の比弾性率が１００ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上である請求項１記載の面状複合体。
3. 面状複合体の凹部における繊維層への樹脂含浸深さｄ１と、凸部における繊維層への樹脂含浸深さｄ２がｄ２／ｄ１＜０．５である請求項１または２に記載の面状複合体。
4. 凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の面状複合体。
5. 凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の面状複合体。
6. 繊維層が、連続繊維からなる織物である請求項１〜５のいずれかに記載の面状複合体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の面状複合体からなるプリプレグ。