JP2014019083A - 炭素繊維ステッチ基材、およびそれを用いたウエット・プリプレグ - Google Patents

Abstract

【課題】 形態安定性および賦形性に優れ、ＣＦＲＰ作製工程におけるウエット・プリプレグの加工時にも良好な取扱性を有し、しかも、立体形状を容易に作製することができる炭素繊維ステッチ基材およびそれを用いたウエット・プリプレグを提供すること。
【解決手段】 シート材１を、所定幅の炭素繊維糸条11・11…を互いに並行に配列して構成する一方、各シート材１の炭素繊維糸条11の配列方向を、前記ステッチ糸２の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなすようにすると共に、
ステッチ糸２の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率を４％以下とし、かつ、２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上となるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＦＲＰ成形基材の改良、更に詳しくは、形態安定性および賦形性に優れ、ＣＦＲＰ作製工程におけるウエット・プリプレグの加工時にも良好な取扱性を有し、しかも、立体形状を容易に作製することができる炭素繊維ステッチ基材およびそれを用いたウエット・プリプレグに関するものである。

炭素繊維を強化繊維とした炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon-Fiber-Reinforced-Plastics）は、軽量で高強度・高弾性率であることから、スポーツ・レジャー用品をはじめ、宇宙・航空機や一般産業などの広い分野で使われるようになってきており、特に、軽量化効果が大きい航空機に関しては盛んに使用され、最近では、航空機の一次構造材料にもＣＦＲＰが採用されるようになっている。

従来、航空機用ＣＦＲＰの成形方法としては、例えば、＜特許文献１＞で提案されているように、炭素繊維を一方向に配列したシート材、あるいは炭素繊維が二方向に配列した織物材に、予めマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグ基材に加工し、得られたプリプレグ基材を成形型上に積層してオートクレーブで加熱硬化させる方法が開示されている。

このような一方向プリプレグ基材や織物プリプレグ基材は、炭素繊維が真っ直ぐに配列し、樹脂も確実に含浸させることができるので、炭素繊維の持つ高強度・高弾性率を十分に発揮させることができる。

しかしながら、このような一方向プリプレグ基材や二方向織物プリプレグ基材の場合、適当なサイズに切り出し、その切り出し片の向きを変えながら積層する作業が行われており、作業が面倒で高コストになるという問題があった。

次に、炭素繊維が±４５°方向に配列したバイアス基材として、＜特許文献２＞において、筒状に織られた袋織を螺旋状に切開してバイアス基材を得る製造方法が提案されている。

しかしながら、このような方法で製造されたバイアス基材は、長手方向に伸び易いために、プリプレグ工程に供給する際には、基材が長手方向に伸長されて、炭素繊維の配列が大きく乱れてしまうという問題がある。

更にまた、＜特許文献３＞には、多軸ステッチ基材の製造方法が開示されており、積層作業の省力化に期待され、ＣＦＲＰへの適用が盛んに検討されている。

そして、この多軸ステッチ技術を用いて、炭素繊維を並行に＋４５°方向に配列したシートと−４５°方向に配列したシートを重ねて、ステッチ糸で一体化することによって、炭素繊維が±４５°に配列したステッチ基材を得ることができる。

しかしながら、この＜特許文献３＞の炭素繊維糸条を配列する方法においては、ステッチｍ／ｃ（マシン）の後方に設けられた２列のチェーン間を折り返しながらシートを形成するので、２列のチェーン間において個々の炭素繊維糸条がフリーな状態となってしまい、炭素繊維糸条間に隙間ができ易くなるという問題がある。

したがって、±４５°配列ステッチ基材は、比較的に高目付にする必要があり、プリプレグ工程に供給する際には、樹脂の粘度が高いために樹脂を基材の内部まで含浸させることができないという問題がある。

また、航空機部品などのＣＦＲＰ成形品の多くは曲面を有した形状であるため、前記のような±４５°配列ステッチ基材からなるプリプレグは、ステッチ糸によって長さ方向にまったく伸びがないため賦形性がなく、成形品の曲面にうまく沿わせることができず、無理に沿わせようとすると皺になるという問題があった。

本発明者らは、従来この種のプリプレグが上記のように基材の賦形性に劣り、複雑な曲面に沿わせることができない原因について検討を行ったところ、基材の幅方向には伸長可能であるが、ステッチ糸の編み込み進行方向の伸長率が非常に小さいために基材の変形を妨げていることが原因となっている事実を突き止めた。

また、ステッチ糸の編み込み進行方向の伸長率を大きくすると、ウエット・プリプレグ加工時に伸ばされ、炭素繊維糸状の配向が乱れるという原因も分かった。

特開２００５−１４６００号公報 特開昭６３−１５９５７６号公報 米国特許第４４８４４５９号明細書

本発明は、従来のＣＦＲＰ成形基材に上記のような問題があったことに鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、形態安定性および賦形性に優れ、ＣＦＲＰ作製工程におけるウエット・プリプレグの加工時にも良好な取扱性を有し、しかも、立体形状を容易に作製することができる炭素繊維ステッチ基材およびそれを用いたウエット・プリプレグを提供することにある。

本発明者が上記技術的課題を解決するために採用した手段を、添付図面を参照して説明すれば、次のとおりである。

即ち、本発明は、複数のシート材１・１…を積層して、ステッチ糸２を貫通させて編み込んで編絡一体化したステッチ基材であって、
このシート材１を、所定幅の炭素繊維糸条11・11…を互いに並行に配列して構成する一方、各シート材１の炭素繊維糸条11の配列方向は、前記ステッチ糸２の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしているとともに、
ステッチ糸２の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上にするという技術的手段を採用したことによって、炭素繊維ステッチ基材を完成させた。

また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、ステッチ糸２を、鎖編み組織と１／１トリコット組織との複合組織によりシート材１にステッチするという技術的手段を採用することができる。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、ステッチ糸２の編み込み進行方向と同じ方向に、補助糸３を挿入するという技術的手段を採用することができる。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、ステッチ糸２の編み込み進行方向に対してステッチ基材の１インチ幅当たり５〜２５Ｎを負荷したときに、ステッチ糸２または補助糸３を切断可能にするという技術的手段を採用することができる。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、シート材１の炭素繊維糸条11の繊度を、４００〜１２００ｔｅｘにして、シート材１単独の目付を１５０〜４００ｇ／ｍ^２にするという技術的手段を採用することができる。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、ステッチ糸２を、以下に定義される編み込み率（Ｒ）
編み込み率（Ｒ）＝ステッチ糸の長さ（Ｌ２）／基材の長さ（Ｌ１）
Ｌ１：基材長さ
Ｌ２：ステッチに必要なステッチ糸の長さ
において、編み込み率（Ｒ）＝３．５〜４．５の範囲で、ステッチするという技術的手段を採用することができる。

更にまた、本発明は、シート材１を、所定幅の炭素繊維糸条11・11…を互いに並行に配列して構成する一方、各シート材１の炭素繊維糸条11の配列方向は、前記ステッチ糸２の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしているとともに、
ステッチ糸２の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上にして、
これら複数のシート材１・１…を積層して、ステッチ糸２を貫通させて編み込んで編絡一体化した炭素繊維ステッチ基材に、熱硬化性樹脂を３０〜５０重量％の範囲内で含浸して形成して、賦形性を有するようにするという技術的手段を採用することによって、ウエット・プリプレグを完成させた。

本発明にあっては、複数のシート材を積層して、ステッチ糸を貫通させて編み込んで編絡一体化したステッチ基材であって、このシート材を、所定幅の炭素繊維糸条を互いに並行に配列して構成する一方、各シート材の炭素繊維糸条の配列方向は、前記ステッチ糸の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしているとともに、ステッチ糸の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上にしたことにより、形態安定性および賦形性に優れ、ＣＦＲＰ作製工程におけるウエット・プリプレグの加工時にも良好な取扱性を有し、しかも、立体形状を容易に作製することができる。

したがって、本発明の炭素繊維ステッチ基材によれば、長さ方向に対してステッチ糸で鎖編ステッチされているので、ウエット・プリプレグ時の乾燥炉内では自重によって伸長されるようなことはなく、±３０〜±６０°に配列した炭素繊維糸条の配向が乱れるようなことがないので、疑似等方性を得ることができる。

また、ウエット・プリプレグ加工において炭素繊維糸条の配列が乱れるようなことが無く加工され、かつ、得られたプリプレグ基材は賦形性も発揮するので、曲面を有した成形品でも切り貼りすることなく積層することができ、積層作業を省力化することができることから、産業上の利用価値は頗る大きいと云える。

本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材を表わす正面図である。 本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材の構造を表わす概略図である。 本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材における鎖編の編目を表わす説明図である。 本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材の構造の変形例を表わす概略図である。 本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材を用いたウエット・プリプレグの製造工程を表わす概略図である。 本発明の実施形態の炭素繊維ステッチ基材の物性を示すグラフである。

本発明を実施するための形態を、具体的に図示した図面に基づいて、更に詳細に説明すると、次のとおりである。

本発明の実施形態を図１から図６に基づいて説明する。図１中、符号１で指示するものはシート材であり、所定幅の炭素繊維糸条11・11…を互いに並行に配列して構成する。

また、符号２で指示するものはステッチ糸であり、このステッチ糸２にはポリエステル等の合成繊維糸を採用する。

しかして、本実施形態においては、複数のシート材１・１…を積層して、ステッチ糸２を貫通させて編み込んで編絡一体化したステッチ基材であって、構成するにあっては、まず、シート材１を、所定幅（本実施形態では２ｍｍ程度）の炭素繊維糸条11・11…を互いに並行に配列して構成する。

本実施形態の炭素繊維糸条11は、ポリアクリルニトリル系またはピッチ系を採用することができ、わずかな繊維量で大きな補強効果を得るために高強度で高弾性率の炭素繊維、具体的には引張強度が３ＧＰａ以上、好ましくは４ＧＰａ以上、引張弾性率が２００〜７００ＧＰａである炭素繊維がよい。

また、本実施形態では、このシート材１の炭素繊維糸条11の繊度を、４００〜１２００ｔｅｘにして、シート材１単独の目付を１５０〜４００ｇ／ｍ^２にする。

炭素繊維糸条11の繊度や基材の目付は、目的とする成形品の性能やコストなどの要求特性により決めるべきであるが、航空機部材などのように信頼性が要求される場合は高品質の基材が安定的に供給されねばならないことも加味する必要がある。

また、炭素繊維糸条11を製造するにあたり、焼成速度は繊度に関わらずほぼ同じであることから、繊度が大きい程、単位重量当たりの製造コストが安価となるため、基材のコストを低減させるためには、繊度の大きい炭素繊維糸条を使用する方が有利である。

しかし、繊度が１２００ｔｅｘ以上の太い炭素繊維糸条11を並列して低目付のシート材１を得ようとすると、炭素繊維糸条11・11間の距離が大きくなるので、これらの糸条間に隙間が生じたり、基材表面が糸条単位で凸凹したりする問題があることから、炭素繊維糸条11の繊度は１２００ｔｅｘ以下であることが好ましい。

逆に、炭素繊維糸条11の繊度が小さいと、炭素繊維糸条11自身が高価となるし、シート材１を形成するために沢山の本数を準備して高密度で配列せねばならなくなるため、繊度が４００ｔｅｘ以上であることが好ましい。

次に、本実施形態では、各シート材１の炭素繊維糸条11の配列方向は、前記ステッチ糸２の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしている。このような基材は一般に知られている多軸ステッチｍ／ｃ（マシン）によって得ることが可能である。

なお、炭素繊維糸条11の配列角は成形品に要求される強度・弾性率により決められるもので、通常、疑似等方性が要求される場合は±４５°方向に配列された基材が最も安定的で好ましいが、本実施形態では、±３０〜±６０°範囲の配列角にしても同様の作用効果を得ることができる。

図２には、本実施形態のステッチ基材における炭素繊維糸条11を±４５°方向に配列したものを示しており、分解して、上部はステッチ糸２の組織を分かり易く説明するためにステッチ糸のみを表している。

そして、ステッチ糸２は、鎖編組織を２個続けて形成してステッチした後、このステッチ糸２を隣の編み針に移して鎖編を２個続けて形成してステッチして元に戻るという鎖編組織と、１／１トリコット編組織との複合組織により、−４５°に配列された炭素繊維糸条11からなるシート材１と、＋４５°に配列された炭素繊維糸条11からなるシート材１とを一体化している。

この際、鎖編におけるステッチ糸２は、ステッチ時の編張力で強固に締まった状態で編目を形成するので、たて方向（ステッチの延びる方向（編み込み進行方向））に引張っても伸びる余裕がないため殆ど伸長しないが、図３の（イ）に示す１／１トリコット編の場合、ステッチ糸は２列の編目列間をジグザグと往復しているので、たて方向（ａ方向）に引っ張ると図３の（ロ）に示すように、２列の編目列をよこ方向（ｂ方向）に引き寄せながらステッチ糸が編目側に移動して編目が長く引き伸ばされ易い。即ち、１／１トリコット編の場合は、たて方向に作用する僅かな外力で伸ばされ易い組織であるといえる。

したがって、上記したような伸長特性を有した鎖編組織と１／１トリコット編組織とを組み合わせることによって、本発明の意図する伸長率を得やすくなるのである。

そして、ステッチ糸２の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上にする。この「伸長率」とは、ＪＩＳ Ｌ １０１８（編物の伸長率測定方法：グラブ法）記載の測定方法に準拠して測定した値である。なお、図２には、鎖編を２個連続した例を示したが、鎖編あるいは１／１トリコット編の組み合わせは、上記数値範囲を満たせば、適宜変更可能である。

ここで、後述するウエットプリプレグ加工時にステッチ基材にかかる張力は大きいと１インチ幅当たり５Ｎ程度かかることもあるため、適切な伸長率の範囲を決定する必要があるが、ステッチ糸２の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％より大きくなると、基材の伸びが大きくてウエット・プリプレグ加工の乾燥炉内で長さ方向に引き伸ばされて、炭素繊維糸状の配向が大きく乱れる問題がある。したがって、ステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率は４％以下が好ましい。さらにより好ましくは５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が３％以下がよい。

また、１インチ幅当たり２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％より小さくなると、プリプレグ基材を賦形させる際に手で伸ばしながら賦形使用としても変形しにくいため形状によっては曲面に沿わすことができず皺になる問題がある。したがって、ステッチ基材の１インチ幅当たり２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率は１０％以上が好ましい。より好ましくは２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０〜２０％の範囲にあることである。これは２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が２０％より大きくなると賦形の際シワを伸ばすため力を加えてプリプレグ基材を伸長させると、急に基材が伸長しすぎる場合があり、必要以上に伸ばしてしまいその部分でシワが発生しやすくなってしまうためである。

以上のことからステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上とすることが好ましく、より好ましくは５Ｎ時の伸長率が３％以下である。また２５Ｎ時の伸長率は１０〜２０％の範囲にあることが好ましい。

次に、本実施形態では、ステッチ糸２の編み込み進行方向と同じ方向に、補助糸３を挿入することができ、ステッチ基材を補強して、形態安定性を得ることができる（図４参照）。

そして、更に、ステッチ糸２の編み込み進行方向に対してステッチ基材の１インチ幅当たり５〜２５Ｎを負荷したときに、ステッチ糸２または補助糸３を切断可能にすることができる。こうすることにより、ウエット・プリプレグ加工時のステッチ基材の変形による炭素繊維糸条11の配向の乱れを防止して、加工したプリプレグを使用する際の賦形性を良くすることができる。

また、本実施形態では、炭素繊維ステッチ基材のステッチ糸２の編み込み率Ｒを、３．５〜４．５の範囲でステッチすることができる。なお、編み込み率Ｒとは以下のように定義される。
編み込み率（Ｒ）＝ステッチ糸の長さ（Ｌ２）／基材の長さ（Ｌ１）
Ｌ１：基材長さ
Ｌ２：ステッチに必要なステッチ糸の長さ

ここで、ステッチ基材がステッチ糸２の編み込み進行方向に伸長するためには、１／１トリコット編のように、隣の編目列に振った糸長が長さ方向に移動し易い編地構造であることが必要である。

鎖編の場合、基材目付にもよるが、本実施形態で規定するシート材１単独の目付が１５０〜４００ｇ／ｍ^２からなる基材であれば、編み込み率（Ｒ）は３．５程度であり、長さ方向に移動可能な糸長はほとんどない。

また、１／１のトリコット編の編み込み率は、編目列のよこ方向ピッチ、すなわち編目列間の距離に関係し、同時に基材のたて方向の伸長率に影響を与える。例えば、編目列間の距離が大きいことは、編み込み率が大きいということで、同時に基材がステッチ糸の編み込み進行方向に伸び易いということである。

以上のことから、本発明の炭素繊維ステッチ基材において編み込み率（Ｒ）が３．５以下となるとステッチ糸の編み込み進行方向の２５Ｎの負荷による伸長率が１０％以下となり、基材が変形しにくく、曲面を有した成形品に沿わせることができない。そのような事からステッチ糸の編み込み率（Ｒ）は３．５以上であることが好ましい。

一方、編み込み率（Ｒ）が４．５以上となると基材の５Ｎの負荷による伸長率が４％より大きくなり、ウエット・プリプレグ加工の乾燥時に基材が伸ばされて、炭素繊維の配向が乱れるおそれがあることから、ステッチ糸の編み込み率（Ｒ）は４．５以下であることが好ましい。

また、ステッチ基材１インチ幅当たり５〜２５Ｎ荷重の作用で切断するステッチ糸２、または０°方向（編み込み進行方向と同じ方向）に挿入する補助糸３の物性と補助糸３が切断するときの荷重である破断荷重Ｐとの関係は、下記の数式で表すことができ、破断荷重Ｐが５〜２５Ｎとなるようステッチ糸２、または補助糸３の強度、繊度、配列密度を選択すれば良い。ただし、ステッチ糸２は、１列で０°方向に３本の糸が並ぶから配列密度は３倍とする。
破断荷重Ｐ（Ｎ）＝糸の強度（Ｎ／ｔｅｘ）×糸繊度（ｔｅｘ）×配列密度（本／ｉｎｃｈ）

また、上記条件でのステッチ糸２または補助糸３の切断時の基材の伸長率は１０％以内が好ましい。このような繊維糸としては天然繊維の綿糸や麻糸があり、合成繊維の場合は比較的に破断伸度が高いので、予め伸長熱処理を施して破断伸度を低くしておくと良い。また、ステッチ糸のみで伸長率を規制する際には、鎖編に限定されるものである。

以上のような条件により、後述するウエット・プリプレグ工程で基材に作用する引張荷重の範囲であるインチ幅当たり５Ｎに対して、ステッチ糸２または補助糸３が持ち応え、物性に影響のない程度の変形に止めて加工することができる。

そして、得られたプリプレグをＣＦＰＲの複雑な成形型に沿わせる際には、プリプレグ基材の伸長すべき個所を引き伸ばしてステッチ糸２または補助糸３を切断することにより、容易に沿わせることが可能となる。

補助糸３を設ける場合は、炭素繊維糸条11は並行に配列した２枚のシートの間に幅方向に対して均等な間隔で０°方向に挿入させる方法を採用する（図４参照）。この場合、ステッチ基材の０°方向の伸長が規制されているので、ステッチ基材を一体化させるだけを目的として１／１トリコット編組織などのように伸びのある組織で構わない。そうすることによりプリプレグが一体化された状態で賦形させることができる。

なお、前記破断荷重Ｐは、基材目付とプリプレグ加工条件により異なるが、後々の成形加工を考慮すればできるだけ低荷重であるほうが好ましい。

また、後述するウエット・プリプレグ加工でステッチ基材に最も張力がかかるのは、縦型乾燥炉内の最上部で、乾燥前プリプレグの自重に加え、送り出しブレーキ力やガイド類の摩擦力が加わり、ステッチ基材にかかる張力は大きいと基材１インチ幅当たり５Ｎかかるため、その荷重に耐えるだけの強度が必要である。

一方、その張力が基材１インチ幅当たり２５Ｎ以上となると、プリプレグ加工でステッチ糸２あるいは補助糸３が切断されるようなことはないが、成形時に賦形させる際にステッチ糸２や補助糸３を切断するのに余りにも強い力が必要となるため、好ましい破断荷重Ｐの範囲は、ステッチ基材１インチ幅当たり５〜２５Ｎである。

更にまた、炭素繊維糸条11を＋４５°または−４５°に配列するシート材１の目付は、１５０〜４００ｇ／ｍ^２が好ましい範囲であり、１５０ｇ／ｍ^２以下となると配列する炭素繊維糸条11の密度が少なくなって、炭素繊維糸条11・11間に隙間ができ、また、成形時の積層枚数が増えるおそれがあるため、シート材１単独の目付は１５０ｇ／ｍ^２以上であることが好ましい。

一方、シート材１単独の目付が４００ｇ／ｍ^２以上となると、成形時の積層枚数が減少するので省力化に繋がるが、基材が分厚くなるために、ウエット・プリプレグ加工の乾燥工程で、内部の溶剤が蒸発し難くなるおそれがあるため、シート材１単独の目付は４００ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。

＜ウエット・プリプレグの成形について＞
次に、本実施形態におけるウエット・プリプレグの成形について以下に説明する。炭素繊維ステッチ基材については、上記のとおりの手順で作製する。そして、この炭素繊維ステッチ基材に、熱硬化性樹脂を３０〜５０重量％の範囲内で含浸させて形成する。この熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられ、中でもエポキシ樹脂が好ましい。

また、ウエット・プリプレグ加工は、高目付な基材を溶剤で希釈した樹脂に浸漬し、縦長の乾燥炉内を往復させながら溶剤を蒸発させて、ステッチ基材の内部まで樹脂を含浸させることができる。

ウエット・プリプレグ加工方法を図５に基づいて説明する。まず、ロール状に巻かれた炭素繊維ステッチ基材を１．５ｍ／分〜５ｍ／分程度の速度で引き出しながら、溶剤で希釈した樹脂溶液が入った樹脂バスに浸漬し、基材の繊維間に樹脂を含浸させ、これを、十分な長さの乾燥ゾーンを有し、頂部に回転ロールを付けた縦型乾燥炉に通す。

次に、樹脂バス通過後、回転ロールまで直線的に溶液の付着したステッチ基材を立ち上がらせ、上り側の乾燥炉である程度の溶剤を乾燥させた後、回転ロールを通して織物の進行方向を反転させ、下り側の乾燥炉で残りの溶剤を乾燥させることにより完成する。

この際の樹脂の付着量は、炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）をできるだけ高くし、高い強度・弾性率を発揮させる目的で、３０〜５０重量％にすることが好ましい。

樹脂付着量が５０重量％以上となると、炭素繊維の体積含有率が低くなりＣＦＲＰ材料としての強度、弾性率が低くなることから、ＣＦＲＰの軽量化効果が発揮できなくなり、一方、樹脂付着量が３０重量％以下となると、炭素繊維ステッチ基材内の空隙を全体に充填するのに不足するため、ＣＦＲＰ内に樹脂の欠損部が生じて破壊の原因となるおそれがあるからである。

『実施例』
次に、本実施形態のステッチ基材を具体的に作製したサンプルについての実験結果について説明する。

〔実施例１〕
炭素繊維ステッチ基材としては、引張強度が５８８０ＭＰａ、引張弾性率が２９０ＧＰａ、繊度が１０３０ｔｅｘ（フィラメント数が２４０００本）の炭素繊維糸条を強化繊維として用い、炭素繊維糸条の目付が２５８ｇ／ｍ^２となるよう互いに並行に配列したシートをステッチ糸の編み込み進行方向に対して±４５°に積層した。

そして、ポリエステル繊維８４ｄｔｅｘを用い、鎖編を２個続けてステッチした後、ステッチ糸２を隣りの編み針に移して鎖編を２個続けてステッチして元に戻る鎖編組織と１／１トリコット編組織の複合組織で、ウエール密度５Ｗ／ｉｎｃｈ、コース密度８．９Ｃ／ｉｎｃｈでステッチした。

こうして得られた炭素繊維ステッチ基材は、隣接する炭素繊維糸条間に隙間を生じることもなく、また、炭素繊維の配向も所定の配向角でステッチされていた。

そして、得られたステッチ基材をＪＩＳ Ｌ １０１８（編物の伸長率測定方法：グラブ法）で伸長試験を行った結果は図６に示すとおりで、荷重５Ｎ時の伸長率は２．６％であり、２５Ｎ時の伸長率は１４．１％であった。

また、得られたロール状に巻かれた炭素繊維ステッチ基材を、エポキシ樹脂をＭＥＫ（メチル・エチル・ケトン）とメタノールの混合溶剤で希釈された樹脂に浸漬し、たて型乾燥炉内を上下に往復させて溶剤を乾燥させ、樹脂付着量が４０重量％になるウエット・プリプレグ加工を行った。

加工結果は、基材が延ばされることなく、炭素繊維糸条に配向が乱れることなく加工できた。これは５Ｎ時の伸長率が４％以下であり、加工の際にかかる張力に対し基材が伸ばされることが抑えられた効果であるといえる。

また、得られたウエット・プリプレグの賦形性をみるためにウエット・プリプレグを５０ｃｍ×５０ｃｍのサイズに切り出し、作業用ヘルメット上からステッチ糸の編み込み進行方向、およびそれに直角の方向に引張ながら沿わせてみた結果、ほぼ完全に沿わせることができた。これは２５Ｎ時の伸長率が大きいため賦形の際にシワを伸ばすため基材を引張ると基材が変形しやすくシワが伸びやすいためである。

〔比較例１〕
次に、ステッチ糸の組織を鎖編のみにした以外は、前記〔実施例１〕と同じ方法でステッチを行った。基材の伸長試験結果は図６の通りで、荷重５Ｎ時の伸長率は２．１％であり、２５Ｎ時の伸長率は７．３％であった。

また、実施例１と同じ条件でウエット・プリプレグ加工を行った結果、基材が伸ばされることなく、炭素繊維糸条に配向が乱れることなく加工できた。これは５Ｎ時の伸長率が４％以下であり、加工の際にかかる張力に対し基材が伸ばされることが抑えられた効果であるといえる。

また、加工したウエット・プリプレグを〔実施例１〕と同様にして賦形性を調べた結果、ステッチ糸の編み込み進行方向に対して直角方向にだけに伸ばされたために、皺が発生し、作業用ヘルメット形状に皺無く沿わせることができなかった。
これは２５Ｎ時の伸長率が７．３％であり、賦形させる際にシワを伸ばすため基材を引張っても変形し難いためといえる。

〔比較例２〕
ステッチ糸の組織を１／１トリコット組織のみにした以外は〔実施例１〕と同じ条件でステッチ加工を行った。

この〔比較例２〕では、荷重５Ｎ時の伸長率は６．４％であり、２５Ｎ時の伸長率は２８．４％であった。また、〔実施例１〕と同じ条件でウエット・プリプレグ加工を行った結果、乾燥炉内で基材の自重によりたて方向に伸ばされると同時に幅方向が収縮し、±４５°方向に真っ直ぐに配向していた炭素繊維糸条が複雑な曲線状に大きく乱れる問題が発生し、実用不可であった。これは荷重５Ｎ時の伸長率が大きいためプリプレグ加工時の張力により基材が大きく変形してしまったためである。

〔比較例３〕
編込み率を４．６とした以外は実施例１と同じ条件でステッチを行った。この〔比較例３〕では、荷重５Ｎ時の伸長率は５．１％であり、２５Ｎ時の伸長率は２２．３％であった。また、〔実施例１〕と同じ条件でウエット・プリプレグ加工を行った結果、乾燥炉内で基材の自重により基材が若干たて方向に伸ばされると同時に、幅方向にも若干収縮し、±４５°方向に真っ直ぐに配向していた炭素繊維糸条が曲線状に乱れた。〔比較例２〕と比較するとその程度は小さかった。

〔比較例３〕は〔実施例１〕と同じ組織であるが、編込み率を大きくしすぎたため、緩い編組織となって荷重５Ｎ時の伸長率が大きくなり、プリプレグ加工の際に炭素繊維糸条の配向が若干乱れてしまったものと考えられる。

また、加工したウエット・プリプレグを〔実施例１〕と同様にして賦形性を調べた結果、〔実施例１〕と同様に完全に賦形させることができた。上記した実施例１、比較例１、比較例２、比較例３の基材性状を以下の表１に示す。

以上より、ステッチ糸が、鎖編み組織と１／１トリコット組織との複合組織によりシート材にステッチされているものが、最も優れた物性を示した。

本発明は、概ね上記のように構成されるが、図示の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、シート材１の積層枚数は２枚に限らず、必要に応じて増加させることができ、本発明の技術的範囲に属する。

１ シート材
11 炭素繊維糸条
２ ステッチ糸
３ 補助糸

Claims (7)

1. 複数のシート材（１・１…）を積層して、ステッチ糸（２）を貫通させて編み込んで編絡一体化したステッチ基材であって、
   このシート材（１）は、所定幅の炭素繊維糸条（11・11…）が互いに並行に配列して構成されている一方、各シート材（１）の炭素繊維糸条（11）の配列方向は、前記ステッチ糸（２）の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしているとともに、
   ステッチ糸（２）の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上であることを特徴とする炭素繊維ステッチ基材。
2. ステッチ糸（２）が、鎖編み組織と１／１トリコット組織との複合組織によりシート材（１）にステッチされていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維ステッチ基材。
3. ステッチ糸（２）の編み込み進行方向と同じ方向に、補助糸（３）が挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維ステッチ基材。
4. ステッチ糸（２）の編み込み進行方向に対してステッチ基材の１インチ幅当たり５〜２５Ｎを負荷したときに、ステッチ糸（２）または補助糸（３）が切断可能であることを特徴とする請求項３記載の炭素繊維ステッチ基材。
5. シート材（１）の炭素繊維糸条11の繊度が、４００〜１２００ｔｅｘであって、シート材（１）単独の目付が１５０〜４００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の炭素繊維ステッチ基材。
6. ステッチ糸（２）が、以下に定義される編み込み率（Ｒ）
   編み込み率（Ｒ）＝ステッチ糸の長さ（Ｌ２）／基材の長さ（Ｌ１）
   Ｌ１：基材長さ
   Ｌ２：ステッチに必要なステッチ糸の長さ
   において、編み込み率（Ｒ）＝３．５〜４．５の範囲で、ステッチされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の炭素繊維ステッチ基材。
7. 複数のシート材（１・１…）を積層して、ステッチ糸（２）を貫通させて編み込んで編絡一体化したステッチ基材であって、
   シート材（１）は、所定幅の炭素繊維糸条（11・11…）が互いに並行に配列して構成されている一方、各シート材（１）の炭素繊維糸条（11）の配列方向は、前記ステッチ糸（２）の編み込み進行方向に対して±３０〜±６０°の角度をなしているとともに、
   ステッチ糸（２）の編み込み進行方向に対するステッチ基材の１インチ幅当たり５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が４％以下であり、かつ２５Ｎの負荷による長手方向の伸長率が１０％以上であって、
   これら複数のシート材（１・１…）を積層して、ステッチ糸（２）を貫通させて編み込んで編絡一体化した炭素繊維ステッチ基材に、熱硬化性樹脂が３０〜５０重量％の範囲内で含浸して形成され、賦形性を有することを特徴とするウエット・プリプレグ。