JP2014169411A - プリプレグ、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成形後の部品が、構造部材に適用可能な優れた力学物性、低バラツキ性を有し、スタンピング成形時の複雑な形状への賦形性に優れ、短時間で成形可能であることを特徴とする中間基材および成形体に関する。さらに詳しくは、リブ，ボス等の３次元形状の成形に容易に追随し、構造部材として機械強度を維持し、例えば航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材である積層基材、およびそれを３次元形状に賦形した繊維強化複合材料に関する。
【解決手段】 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグであって、
強化繊維を切断する方向に切込を有し、その切込の少なくとも一部において熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっているプリプレグとそのプリプレグの製造方法により解決する。
【選択図】図５

Description

本発明は、成形後の部品が、構造部材に適用可能な優れた力学物性、低バラツキ性を有し、スタンピング成形時の複雑な形状への賦形性に優れ、短時間で成形可能であることを特徴とする中間基材および成形体に関する。さらに詳しくは、リブ，ボス等の３次元形状の成形に容易に追随し、構造部材として機械強度を維持し、例えば航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材である積層基材、およびそれを３次元形状に賦形した繊維強化複合材料に関する。

特許文献１〜３には、強化繊維と熱可塑性樹脂にからなる切込を有するプリプレグを開示されている。これらの特許においては、プリプレグに切込を有し、その箇所において、強化繊維は分断され、さらには熱可塑性樹脂も分断されている。従って、そのプリプレグをプレス成形等の方法で成形する場合、流動性は良好ではあるが、プリプレグの運搬等の作業時に、プリプレグの切込部が開くので、取り扱いにくく、場合によっては、切込部が大きく広がってしまい、やがて部分的にプリプレグの一部が欠落してしまう可能性があった。

特開２００８−２０７５４４号公報 特開２００８−２０７５４５号公報 特開２００９−２８６８１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、強化繊維が切断されているプリプレグの取扱性を向上することにある。

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグであって、強化繊維を切断する方向に切込を有し、その切込の全ての部分において、強化繊維が全て不連続であり、その切込の少なくとも一部において熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっているプリプレグである。

本発明の方法によれば、切込により、強化繊維は切断されるが、切込の１本或いは２本以上の切込において、１箇所或いは２箇所以上において熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっているので、良好な流動性を有し、複雑形状の成形追従性を有し、且つ、取り扱い性が良好なプリプレグが提供される。

本発明のプリプレグを示す第一例である。 切込の１箇所を超音波溶着機で溶着する例 熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ前の例 切込部、熱可塑性樹脂を溶着した部分を示す例 本発明のプリプレグの第二例 切込の２箇所以上で超音波溶着機で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ例 全領域で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっている例 切込の無いプリプレグの第一例 本発明のプリプレグの第三例 切込の２箇所以上で超音波溶着機で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ例 切込の無いプリプレグの第二例 本発明のプリプレグの第四例 切込の１箇所で超音波溶着機で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ例 全領域で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっている例

（切込プリプレグ）
本発明のプリプレグは、少なくとも１本以上の切込みが有することが必要である。さらに、この切込のうち、少なくとも１本において、１箇所以上で、熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっていることが必要である。この箇所は、強化繊維は切断されているが、熱可塑性樹脂同士がつながっているので、プリプレグの取り扱い性が向上する。プリプレグの取り扱い性とは、それを持ち上げた場合に、切込部が開きにくいことを意味する。

本発明のプリプレグを製造する際に、切込を入れる方法としては、刃物による方法や、レーザーによる方法が例示される。刃物の場合には、カッターナイフを用いる方法や、刃を切れ目形状通りに土台に埋めこんだ抜き刃を用いる方法が例示される。抜き刃を回転ローラーに設置し、回転ローラーとゴムローラーの間にプリプレグを通して、切込をいれる方法が例示される。なお、切込の形状は直線であっても良いし、曲線であっても良い。また、切込の長さや、切込同士の間隔に制限はない。

切込同士は互いに交差しなくても良いし、互いに交差していても良い。切込の深さは、強化繊維や熱可塑性樹脂が完全に切断される深さであれば良い。図３ａに切込部の様子を示す。切込部においては、強化繊維も、熱可塑性樹脂も切断されている。図３ｂに示すように切込部の少なくとも一箇所以上で、強化繊維は切断されたままで、熱熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっている。

プリプレグに含まれる切込において、熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ方法として、切込部を跨ぐように加熱されたコテを当てる方法や、超音波溶着機を当てる方法がある。中でも、超音波溶着機は、短時間で効率よく、熱可塑性樹脂を溶融することができる。加熱コテや超音波溶着機を当てた後は、冷却コテを当てても良いし、自然に冷却させても良い。

このようなプレプレグは、熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっていない切込を有するプリプレグよりも取り扱い性が良く、切込を有しないプリプレグよりも成形時の流動性が良い。

また、熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっている部分は、切込部において部分的であっても良いし、全領域であっても良い。全領域で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋ぐ場合には、切込を有するプリプレグを加熱し熱可塑性樹脂を溶融、或いは軟化させた後、冷却する方法が好ましい。特に、プリプレグを加熱、冷却する場合には、圧力をかけながら行うことが特に好ましい。

熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンオキシド、フッ素樹脂、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアリレート等がある。

強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、等が例示される。プリプレグに含まれる強化繊維は連続繊維であっても良いし、不連続繊維であっても良い。強化繊維が不連続繊維の場合、そのプリプレグの成形時の流動性が良くなるので好ましい。連続繊維の場合、そのプリプレグの強度、弾性率、等の機械的物性が良くなるので好ましい。

プリプレグが一方向に引き揃えられた強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されたプリプレグの場合、特に、そのプリプレグの強度、弾性率、等の機械的物性が良くなるので好ましい。プリプレグが一方向に引き揃えられた強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されたプリプレグであって、切込が直線の場合、強化繊維と切込直線のなす角度に制限はない。

プリプレグの厚みは３０〜３００μｍが好ましい。プリプレグの厚みを３０μｍ以上とすることで、プリプレグの取り扱い性を向上させることができる。また、プリプレグ厚みを３００μｍ以下とすることで、切込を入れやすくすることができる。

プリプレグの強化繊維の体積含有率（ＪＩＳ Ｋ ７０５２、Ｋ７０７５に準じて測定。）は、１０〜６０％であることが好ましい。強化繊維の体積含有率が１０％以上であれば、プリプレグを成形することによって得られる成形品に優れた物性を与えることができる。一方、強化繊維の体積含有率が６０％以下であれば、プリプレグをプレス成形法などの方法で成形する際に、いろいろな形状に賦形しやすくなる。

本発明のプリプレグをプレス成形等の方法で１枚成形しても良いし、プリプレグを２枚以上積層してプレス成形等の方法で成形しも良い。

具体的な成形方法として、１枚のプリプレグ、或いは積層プリプレグを熱可塑性樹脂の融点、或いはガラス転移温度以上に加熱をしておき、加熱されたプリプレグを金型の上に載せてプレス成形する方法が例示される。プリプレグを加熱する方法として、赤外線ヒーターで加熱することが例示される。また、成形に用いる金型は、熱可塑性樹脂の融点、或いはガラス転移温度以下にしておくことが好ましい。そうすることにより、成形終了後にプリプレグは所定の形状に賦形され、固化するので、成形品を金型から脱型することができる。本発明のプリプレグは、切込部において強化繊維が切断されているので、賦形時の流動性が良好であり、複雑形状に賦形しやすい。また、本発明のプリプレグは、１本或いは２本以上の切込において、１箇所或いは２箇所以上において熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっているので、加熱したプリプレグを金型に運搬する作業性が良好である。すなわち、本発明のプリプレグは、運搬時等において取り扱い性が良好であり、賦形時に流動性が良好なプリプレグである。

プリプレグＡ：横１２０ｃｍ、縦１００ｃｍ、厚み０．１ｍｍのプリプレグ。強化繊維は炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ５０Ｓ）、マトリクス樹脂は、ポリプロピレン（プライムポリマー社製、製品名：Ｊ１０８Ｍ）を用いた。炭素繊維の体積含有率は４５％であった。繊維方向は横方向である（図７）。

プリプレグＢ：１辺が１００ｃｍの正方形、厚み０．１ｍｍのプリプレグ。強化繊維、マトリクス樹脂はプリプレグＡと同じとした。繊維方向は正方形の対角線と平行の方向である（図１０）。

プリプレグＣ：１辺が４０ｃｍの正方形、厚み０．１ｍｍのプリプレグ。強化繊維、マトリクス樹脂はプリプレグＡと同じとした。繊維方向は正方形の対角線と平行の方向である。

（実施例１）
プリプレグＡを用いた。図８に示すように１０ｃｍ間隔に１１本の長さ８０ｃｍの切込を入れた。切込の方向は、強化繊維の方向に対して直角方向とした。図９に示すように、切込１本あたり２０ｃｍ間隔で３箇所、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）を当てて、切込を挟んで、熱可塑性樹脂同士を繋げた。このプリプレグの四隅を持って、持ち上げたところ、切込部が大きく開くことはなく、取り扱いは良好であった。

（比較例１）
実施例１とは、熱可塑性樹脂同士を繋げない以外は、同様にして、プリプレグを得た。このプリプレグの四隅を持って、持ち上げたところ、切込部が大きく開き、取り扱いが困難であった。

（実施例２）
プリプレグＢを用いた。図１１に示すように、まず横方向に長さ８０ｃｍの切込を入れた後、それと直交するように長さ８０ｃｍの切込を入れた。図１２に示すように、切込が交差する点に超音波溶着機で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋げた。このプリプレグの四隅を持ったところ、切込部が大きく開くことはなく、取り扱いは良好であった。

（比較例２）
実施例２とは、熱可塑性樹脂同士を繋げない以外は、同様にして、プリプレグを得た。このプリプレグの四隅を持って、持ち上げたところ、切込部が大きく開き、取り扱いが困難であった。

（実施例３）
プリプレグＣを用いた。長さ３０ｃｍの直交する切込を２本入れた後、そのプリプレグを平板金型の中に入れて、その金型を２２０℃に加熱したプレス成形機に入れて圧力３ＭＰａで５分間プレスした。その後、金型を取り出し、温度５０℃に保たれたプレス成形機に移し変えて、圧力３ＭＰａで５分間プレスした。プリプレグの全領域で熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっており、プリプレグの取り扱い性は良好であった（図１３）。

１１・・・・・・・・・・・・・プリプレグ
１２、４１、８１、１１１・・・切込
２１・・・・・・・・・・・・・超音波発生装置
２２・・・・・・・・・・・・・超音波溶着機
３１・・・・・・・・・・・・・切込部の断面
３２・・・・・・・・・・・・・熱可塑性樹脂同士が溶着している部分の断面
５１、９１、１２１・・・・・・熱可塑性樹脂同士が溶着している部分

Claims (8)

1. 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグであって、
   強化繊維を切断する方向に切込を有し、その切込の全ての部分において、強化繊維が全て不連続であり、その切込の少なくとも一部において熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっているプリプレグ。
2. 前記切込の全領域において、熱可塑性樹脂同士が切込を挟んで、繋がっている請求項１に記載のあるプリプレグ。
3. 前記プリプレグが、一方向に引き揃えられた強化繊維に熱可塑性樹脂が含浸されたプリプレグである請求項１または２に記載のプリプレグ。
4. 前記プリプレグの厚みが３０μｍ〜３００μｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリプレグ。
5. 前記プリプレグに含まれる強化繊維の体積含有率が１０〜６０％である請求項１〜４のいずれか一項に記載のプリプレグ。
6. 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグに、強化繊維を切断する方向に、切込を入れた後、切込を挟んで熱可塑性樹脂同士の一部を溶着させるプリプレグの製造方法。
7. 前記熱可塑性樹脂同士の溶着を超音波溶接機で施す請求項６に記載のプリプレグの製造方法。
8. 前記プリプレグの全面を加熱することにより、溶着させる請求項６または７に記載のプリプレグの製造方法。