JP2011195723A

JP2011195723A - 遮光性に優れたｆｒｐ成形品及びその成形方法

Info

Publication number: JP2011195723A
Application number: JP2010064618A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Mikami; 顕大三上; Hironari Hata; 裕也秦
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】従来の技術を改良し、より遮光性に優れたＦＲＰ成形品を提供すること。
【解決手段】一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるＦＲＰ成形品であって、該マトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックが、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合されている遮光性に優れたＦＲＰ成形品と、かかるＦＲＰ成形品のＲＴＭ成形法又はプリプレグ法による成形方法。マトリックス樹脂としてはビニルエステル樹脂が好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、遮光性に優れたＦＲＰ成形品とその成形方法に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の繊維強化材からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において色々な用途に利用されている。そして、繊維強化材として炭素繊維を用いた、例えば、カメラ用シャッター、プロジェクターの遮光板、Ｘ線カセッテ用フロント板等の遮光性を必要とする部材への応用もその一つである。

そして、遮光性のＦＲＰを得るためには、従来、炭素繊維の一方向配列繊維からなる、いわゆるノンクリンプファブリック（ＮＣＦ）を基材として用い、マトリックス樹脂としては樹脂にカーボンブラックを混合して遮光性を高めることが行われてきた（例えば、特許文献１参照）。カーボンブラックとしては、平均粒子径が１０〜５００ｎｍのものを、樹脂成分液に対しし３〜１５重量％程度混入するが普通である。しかしながら、カーボンブラックと樹脂との相溶性は必ずしも十分ではなく、樹脂とカーボンブラックを単純に混合しただけでは、優れた遮光性を有するＦＲＰを得ることは困難であった。

特開平１０−３０１１５８号公報

本発明の課題は、従来の技術を改良し、より遮光性に優れたＦＲＰ成形品を提供することにある。

本発明者は、炭素繊維の多軸織物等の一方向配列炭素繊維を基材とし、マトリックス樹脂として、特定の粒度範囲のカーボンブラックを特定量混合した特定の樹脂を選択することによって、遮光性が非常に優れたＦＲＰ成形品を得ることに成功した。

本発明は、一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるＦＲＰ成形品であって、該マトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックが、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合されていることを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品である。

そして、本発明の他の態様は、前記ＦＲＰ成形品を製造するための方法であって、一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからＲＴＭ成形方法により遮光性に優れたＦＲＰ成形品を成形するに際し、該マトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックを、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合することを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品のＲＴＭ成形方法である。

更に、本発明のもう一つの態様は、一方向配列炭素繊維を繊維強化材としたプリプレグを用いて遮光性に優れたＦＲＰ成形品を成形するに際し、該プリプレグのマトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックを、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合することを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品の成形方法である。

本発明においてカーボンブラックの粒径（粒子径）とは、カーボンブラックの凝集体を構成する小さな球状(微結晶による輪郭を有し、分離できない)成分を、電子顕微鏡により測定、算出した平均直径を意味する。これを単一粒子と見なした粒子径は、通常、グレードにより異なるが１０〜５００ｎｍの範囲にあるものが多い。

本発明によると、軽量で且つ耐衝撃性に優れ、かつ、遮光性にも非常に優れたＦＲＰ成形品が得られる。

本発明は、一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるＦＲＰ成形品である。一方向配列炭素繊維を繊維強化材とは、炭素繊維束（ストランド）を平行に一方向に引き揃えたシート状のものだけでなく、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、更に、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物も含まれる。炭素繊維束としては、１Ｋ〜２４Ｋの束が適当である。繊維強化材とマトリックス樹脂の割合は、繊維強化材が全体の１０〜９０重量％であるものが好ましく、２０〜６０重量％であるものがより好ましい。

マトリックス樹脂に配合されるカーボンブラックは、粒径が１〜３０ｎｍ、好ましくは１０〜２５ｎｍのものであり、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％、好ましくは１〜２重量％配合される。粒径が１ｎｍ未満の場合はマトリックス樹脂への混合が困難であり、３０ｎｍを超える場合は遮光性が不十分となる。また、配合量が０．１重量％未満の場合は遮光性が不十分となり、２重量％を超える場合はマトリックス樹脂の取扱いが困難となる。

本発明において用いられる繊維強化材としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維又はそれらの混合からなる繊維がある。具体的には、無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維を挙げることが出来る。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維が挙げられる。好ましいのは、炭素繊維とアラミド繊維である。

一方向配列炭素繊維を繊維強化材に用いられるステッチ糸の種類・材質は、特に制限されるものではなく、例えば、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸、ポリベンゾオキサゾール繊維糸、アラミド繊維糸等が挙げられる。シート状物の目付は、１００〜１０００ｇ／ｍ^２が好ましく、２００〜８００ｇ／ｍ^２がより好ましい。１層（１枚）当たりの厚みは、０．１〜２ｍｍが好ましい。本発明の繊維強化材としては、多軸織物が好ましく、具体的には、積層角度が、〔３０／−３０〕、〔−３０／３０〕、〔４５／−４５〕、〔−４５／４５〕、〔６０／−６０〕、〔−６０／６０〕、〔４５／−４５／−４５／４５〕〔−４５／４５／４５／−４５〕等の多軸織物を挙げることができる。

本発明において、前記繊維強化材に含浸させるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂がある。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、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、メラミン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂から選ばれる樹脂がある。これらは１種又は２種以上の混合物として用いることもできる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミドがある。これらの樹脂は、２種以上併用しても良い。これらの樹脂のうち、本発明においては、特に優れた遮光性を発揮するためにビニルエステル樹脂が特に好ましい。

本発明のＦＲＰ成形品は、ＲＴＭ成形方法により製造することができる。ＲＴＭ成形方法
（樹脂トランスファー成形法）は、上型と下型からなる金型（成形型）内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材を配置し、金型を型締めした後、上型と下型が形成するキャビティ内を、金型の排出口から排出用ホースを介して排気し、一方、金型の注入口から注入用ホースを介してマトリックス樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして必要なら加熱、加圧して硬化させる方法がとられる。本発明においては、かかるマトリックス樹脂中に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックが、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合される。

あるいはまた、本発明のＦＲＰ成形品は、一方向配列炭素繊維を繊維強化材としたプリプレグを用いて製造することができる。プリプレグは、繊維強基材にマトリックス樹脂が含浸されたシート状の中間基材であり、これを積層し、賦形し、その後、加熱及び加圧により樹脂組成物を硬化させる方法が一般的であった。本発明においては、かかるプリプレグのマトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックが、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合される。プリプレグを積層して繊維強化複合材料を成形する場合は、プレス機と金型を使用して、加熱・加圧・圧縮により繊維強化複合材料を成形する方法、あるいは、成形型を用いて、オートクレーブや硬化炉で加圧・加熱する方法が用いられる。

以下、実施例により本発明を詳述する。

[実施例１]
強化繊維として、東邦テナックス社製の“テナックス”（登録商標）ＨＴＡ−１２Ｋを用い、０度／９０度方向に４００ｇ／ｍ^２となるように所定の本数を配した。これらをポリエステル糸にて縫合して（ステッチ糸の縫い目が積層基材の長手方向に平行になるように）バイアスステッチ基材を得た。

得られたバイアスステッチ基材を、ＲＴＭ用金型内に４ｐｌｙ面対象に積層配置し、５０℃で下記のビニルエステル樹脂組成物を注入含浸した後、１分間に２℃ずつ１２０℃まで昇温して１２０℃で１時間硬化することにより、コンポジット平板を得た。この平板を３５００Ｌｍのプロジェクターのレンズ部に接触させ、光を強射させてその平板面から光が漏洩するか否かを視覚的に判定した。その結果、光の漏洩は認められなかった。

前記で使用したビニルエステル樹脂組成物は、成分（Ａ）として、リポキシＭ−７２５０（ビスフェノール系ビニルエステル樹脂［昭和高分子株式会社製］）を１００重量部と、成分（Ｂ）として、重合禁止剤Ｍ−７２５０用（パラベンゾキノン−メタクリル酸メチル溶液［昭和高分子株式会社製］）を２重量部、硬化剤（Ｃ）として、キュアゾール１．２ＤＭＺ[四国化成工業株式会社製]を４重量部、硬化剤（Ｄ）として、アンカミンＫ−５４[ＰＴＩ・ＪＡＰＡＮ株式会社製]を１．５重量部、硬化促進剤（Ｅ）としてトリゴノックス１２１−５０Ｅ[化薬アクゾ株式会社製]を１．５重量部含むものである。そして、成形に際しては、成分（Ａ）と（Ｂ）の混合物に、カーボンブラック（Ｆ）として、２４ｎｍのＭＡ１００（カーボンブラック［三菱化学社製］）１重量部を先ず混合し、次に成分（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）を加えて混練したものを用いた。

[実施例２]
実施例１のビニルエステル樹脂組成物（カーボンブラックを含む）を、ナイフコーターを用いて、所定重量となるように離型紙上でフィルム化し、樹脂フィルムを作製した。実施例１で得られたバイアスステッチ基材の上下両面に上記樹脂フィルムを重ね、５０℃に加熱したプレスで面圧０．１ＭＰａで１分間加圧し、樹脂含有率３６重量％のプリプレグを得た。このとき、樹脂フィルムの目付は、１１３ｇ／ｍ^２であった。

前記のようにして得られたプリブレグを、４ｐｌｙ面対象に積層し、オートクレーブを用い、１２０℃にて１時間加熱することによりコンポジット平板を得た。この平板を３５００Ｌｍのプロジェクターのレンズ部に接触させ、光を強射させてその平板面から光が漏洩するか否かを視覚的に判定した。その結果、光の漏洩は認められなかった。

[実施例３]
上下分割型の金型を用い、下型に、実施例２と同様にして作成したプリプレグを４ｐｌｙ面対象に積層配置した。

その後、金型を型締めしながら、面圧５０〜１００ｋｇ／ｃｍ^２で、１２０℃で６０分加熱・圧縮成形した。成形後、金型を冷却して脱型し、コンポジット平板を得た。この平板を実施例１と同様の光漏洩試験を行った結果、光の漏洩は認められなかった。

[比較例１]
ビニルエステル樹脂組成物のカーボンブラック（Ｆ）として、５５ｎｍの旭＃５５（カーボンブラック［旭カーボン社製］）１重量部に変更した以外は、実施例１と同様の方法で平板を作成した。得られた平板を実施例１と同様の光漏洩試験を行った結果、光の漏洩が認められた。

Claims

一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるＦＲＰ成形品であって、該マトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックが、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合されていることを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品。
マトリックス樹脂が、ビニルエステル樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項１記載の遮光性に優れたＦＲＰ成形品。
一方向配列炭素繊維からなる繊維強化材とマトリックス樹脂とからＲＴＭ成形方法により遮光性に優れたＦＲＰ成形品を成形するに際し、該マトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックを、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合することを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品のＲＴＭ成形方法。
マトリックス樹脂が、ビニルエステル樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項３記載の遮光性に優れたＦＲＰ成形品のＲＴＭ成形方法。
一方向配列炭素繊維を繊維強化材としたプリプレグを用いて遮光性に優れたＦＲＰ成形品を成形するに際し、該プリプレグのマトリックス樹脂に、粒径が１〜３０ｎｍのカーボンブラックを、マトリックス樹脂に対し０．１〜２重量％配合することを特徴とする遮光性に優れたＦＲＰ成形品の成形方法。
マトリックス樹脂が、ビニルエステル樹脂を主成分とするものであることを特徴とする請求項５記載の遮光性に優れたＦＲＰ成形品の成形方法。