JP2016141038A - プリフォーム素材及び繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 強化繊維の真直性に優れたＲＴＭ及びＶａＲＴＭ用プリフォームのためのプリフォーム素材を提供する。【解決手段】 繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体と、該螺旋状の成型体の内側に充填された、一方向に引き揃えられた炭素繊維からなるプリフォーム素材である。本発明のプリフォーム素材は横断面が矩形であることが好ましい。また、本発明は上記のプリフォーム素材を用いて成形型上にプリフォームを形成し、該プリフォームにマトリクス樹脂組成物を含浸して、硬化させる炭素繊維強化プラスチックの製造方法である。【選択図】 図２
Description
本発明は、プリフォーム素材及び繊維強化プラスチックの製造方法に関する。
ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）およびＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＲＴＭ）は、強化繊維により所望形状のプリフォームを製作し、これを成形型のキャビティ内に配置し、注入ゲートよりマトリクス樹脂組成物を注入し（ＶａＲＴＭでは、真空圧のみで樹脂を吸引し）、プリフォームにマトリクス樹脂組成物を含浸させて、これを硬化させて、繊維強化プラスチックを製造する方法である。
ところが、ＲＴＭおよびＶａＲＴＭで使用されるプリフォームには、一般に、平織、綾織などの強化繊維織物や、１軸または多軸に配向された強化繊維と補助糸により構成されるファブリックが使用されるため、ＲＴＭおよびＶａＲＴＭによって製造された繊維強化プラスチックは、強化繊維の真直性が、強化繊維を引き揃えて樹脂を含浸して作製したプリプレグを積層・硬化して製造する繊維強化プラスチックに比べて劣り、強度が低い傾向にあった。また、炭素繊維を用いたＲＴＭにおいては、マトリクス樹脂組成物を高圧で注入して炭素繊維に含浸させる場合には、樹脂組成物の流動によって強化繊維が屈曲し、真直性が乱されることもある。
特許文献１には、長尺状のマンドレルを長手方向一方に送りながら、長手方向に沿って引き揃えた複数の強化繊維束をマンドレルの外周に供給することによりマンドレルの全周を覆う長手方向強化繊維層を形成すると共に、その長手方向強化繊維層の外周に螺旋状に強化繊維束を捲回することによりマンドレルの全周を覆う螺旋方向強化繊維層を形成する、複数の強化繊維層が積層された筒状のドライプリフォームが開示されている。しかし、特許文献１の技術では長手方向に特に高い強度と弾性率が要求される大型長尺の繊維強化プラスチックを得るためのプリフォームを得ることは困難である。
本発明は、長手方向に特に高い強度と弾性率が要求される、様々な横断面形状の大型長尺の炭素繊維強化プラスチックを得るためのＲＴＭまたはＶａＲＴＭ用プリフォームを、炭素繊維の真直性を損なうことなく生産性良く製造することを可能にするプリフォーム素材及び該プリフォーム素材を用いて形成されたプリフォームから炭素繊維強化プラスチックを製造する方法を提供することを目的とする。
上記課題は、以下のプリフォーム素材により解決される。即ち、本発明は、
繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体と、該螺旋状の成型体の内側に充填された、一方向に引き揃えられた炭素繊維からなるプリフォーム素材である。
本発明のプリフォーム素材は横断面が矩形であることが好ましい。
また、本発明は上記のプリフォーム素材を用いて成形型上にプリフォームを形成し、該プリフォームにマトリクス樹脂組成物を含浸して、硬化させる炭素繊維強化プラスチックの製造方法である。
繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体と、該螺旋状の成型体の内側に充填された、一方向に引き揃えられた炭素繊維からなるプリフォーム素材である。
本発明のプリフォーム素材は横断面が矩形であることが好ましい。
また、本発明は上記のプリフォーム素材を用いて成形型上にプリフォームを形成し、該プリフォームにマトリクス樹脂組成物を含浸して、硬化させる炭素繊維強化プラスチックの製造方法である。
本発明によれば、炭素繊維の真直性を損なうことなく炭素繊維強化プラスチックを製造し、強度に優れた長尺大型の炭素繊維強化プラスチックを得ることが出来る。
以下に、本発明のプリフォーム素材、及びそのプリフォーム素材を用いてＲＴＭまたはＶａＲＴＭ用プリフォームを形成して炭素繊維強化プラスチックを製造する方法について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は、図面に記載の発明に限定されるものではない。
＜炭素繊維＞
本発明に用いる炭素繊維は、炭素繊維、黒鉛繊維、グラファイト繊維等の呼称に拘わらず、実質的に炭素のみからなる強化繊維である。ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等の強化繊維を１種以上混合して用いても構わないが、より軽量で、より剛性の高い成形品を得るために、炭素繊維のみを用いるのが良い。炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでもよく、特に限定されないが、単糸径が５〜１０μｍの、３０００本以上の炭素繊維単糸が集合した炭素繊維トウを用いることが好ましい。炭素繊維トウに含まれる単糸数は、例えば、３０００（３ｋ）〜６００００（６０ｋ）程度の範囲内から適宜選択すればよい。炭素繊維トウの目付としては、２００ｍｇ／ｍ以上とすることができ、例えば、２００〜３７５０ｍｇ／ｍの範囲から適宜選択すればよい。炭素繊維の引張り弾性率は、１７０〜６００ＧＰａであることが好ましく、２２０〜４５０ＧＰａであることが特に好ましい。また、炭素繊維の引張強度は３９２０ＭＰａ以上であることが好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、炭素繊維強化プラスチックの弾性率や強度等の機械的性質を高いものとすることができる。
本発明に用いる炭素繊維は、炭素繊維、黒鉛繊維、グラファイト繊維等の呼称に拘わらず、実質的に炭素のみからなる強化繊維である。ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等の強化繊維を１種以上混合して用いても構わないが、より軽量で、より剛性の高い成形品を得るために、炭素繊維のみを用いるのが良い。炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでもよく、特に限定されないが、単糸径が５〜１０μｍの、３０００本以上の炭素繊維単糸が集合した炭素繊維トウを用いることが好ましい。炭素繊維トウに含まれる単糸数は、例えば、３０００（３ｋ）〜６００００（６０ｋ）程度の範囲内から適宜選択すればよい。炭素繊維トウの目付としては、２００ｍｇ／ｍ以上とすることができ、例えば、２００〜３７５０ｍｇ／ｍの範囲から適宜選択すればよい。炭素繊維の引張り弾性率は、１７０〜６００ＧＰａであることが好ましく、２２０〜４５０ＧＰａであることが特に好ましい。また、炭素繊維の引張強度は３９２０ＭＰａ以上であることが好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、炭素繊維強化プラスチックの弾性率や強度等の機械的性質を高いものとすることができる。
＜プリプレグ＞
本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体は、予めプリプレグを所望の螺旋形態に熱賦形または加熱硬化した物である。プリプレグとは、強化繊維に熱硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂を含浸した中間基材であり、熱硬化性樹脂組成物としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂を挙げることができる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、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等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、スチレン系、オレフィン系、塩ビ系、ウレタン系、エステル系、ポリアミド系、塩素化ポリエチレン等の熱可塑性エラストマー、熱可塑性ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋体においては、強化繊維として炭素繊維が用いられる。プリプレグの形態は特に限定しないが、テープの長さ方向に引き揃えた炭素繊維にマトリクス樹脂組成物を含浸させた一方向プリプレグ、炭素繊維の織物にマトリクス樹脂組成物を含浸させたクロスプリプレグでもよい。本発明に用いるプリプレグの繊維目付けとプリプレグに含まれる炭素繊維とマトリクス樹脂組成物の質量比に特段の制限はないが賦形性の観点から、繊維目付は１０〜１５０ｇ／ｍ２、プリプレグに含まれる炭素繊維とマトリクス樹脂組成物の重量比は、３０／７０〜９０／１０であることが好ましい。より好ましくは４０／６０〜８０／２０である。
本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体は、予めプリプレグを所望の螺旋形態に熱賦形または加熱硬化した物である。プリプレグとは、強化繊維に熱硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂を含浸した中間基材であり、熱硬化性樹脂組成物としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂を挙げることができる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、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等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、スチレン系、オレフィン系、塩ビ系、ウレタン系、エステル系、ポリアミド系、塩素化ポリエチレン等の熱可塑性エラストマー、熱可塑性ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋体においては、強化繊維として炭素繊維が用いられる。プリプレグの形態は特に限定しないが、テープの長さ方向に引き揃えた炭素繊維にマトリクス樹脂組成物を含浸させた一方向プリプレグ、炭素繊維の織物にマトリクス樹脂組成物を含浸させたクロスプリプレグでもよい。本発明に用いるプリプレグの繊維目付けとプリプレグに含まれる炭素繊維とマトリクス樹脂組成物の質量比に特段の制限はないが賦形性の観点から、繊維目付は１０〜１５０ｇ／ｍ２、プリプレグに含まれる炭素繊維とマトリクス樹脂組成物の重量比は、３０／７０〜９０／１０であることが好ましい。より好ましくは４０／６０〜８０／２０である。
＜テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体＞
強化繊維の真直性の維持と、ＲＴＭ及びＶａＲＴＭ成型時に良好な含浸性を得るため、本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）が、本発明のプリフォーム素材の側面に占める割合（被覆率）は１〜５０％の範囲であることが好ましい。１本のテープ状の螺旋体による被覆率は、下記式（１）によって求められる。
螺旋体の幅ｗは５〜１５ｍｍの範囲が好ましく、プリフォーム素材の長軸に対する巻き付け角度は５〜２０°の範囲が好ましい。
Ｃ＝ｗ÷（Ｌ×ｃｏｓθ）・・・（１）
Ｃ：被覆率（％）
ｗ：テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋体の幅（ｍｍ）
Ｌ：束の周長（ｍｍ）
θ：束の長軸に対する巻き付け角度（°）
強化繊維の真直性の維持と、ＲＴＭ及びＶａＲＴＭ成型時に良好な含浸性を得るため、本発明に用いるテープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）が、本発明のプリフォーム素材の側面に占める割合（被覆率）は１〜５０％の範囲であることが好ましい。１本のテープ状の螺旋体による被覆率は、下記式（１）によって求められる。
螺旋体の幅ｗは５〜１５ｍｍの範囲が好ましく、プリフォーム素材の長軸に対する巻き付け角度は５〜２０°の範囲が好ましい。
Ｃ＝ｗ÷（Ｌ×ｃｏｓθ）・・・（１）
Ｃ：被覆率（％）
ｗ：テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋体の幅（ｍｍ）
Ｌ：束の周長（ｍｍ）
θ：束の長軸に対する巻き付け角度（°）
＜プリフォーム素材＞
本発明のプリフォーム素材は、テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体３の内側に強化繊維４を所望の繊維体積含有率が得られるだけ充填されたものである。プリフォーム素材の横断面は凸形状であれば、正方形、長方形、菱形、三角形、円形、楕円形、五角形、および六角形などいかなるものでも用いることができる。好ましくは、最終的に得られる炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率を高くして、高い圧縮強度を実現するため、矩形であることが好ましい。さらに好ましくは、短辺と長辺の比が１：１〜１：４の矩形である。プリフォーム素材の断面積は、プリフォーム素材の生産性、プリフォーム素材の梱包形態の一例として円筒状芯材に巻き取られた形態を考慮し、４０〜１６００ｍｍ２であることが好ましい。
本発明のプリフォーム素材１本をプリフォームとすることもできるが、プリフォーム素材を成形型内のキャビティに複数並べ充填してプリフォームとすることもできる。本発明のプリフォーム素材以外の強化基材を併用してプリフォームとしても良い。
本発明のプリフォーム素材は、テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体３の内側に強化繊維４を所望の繊維体積含有率が得られるだけ充填されたものである。プリフォーム素材の横断面は凸形状であれば、正方形、長方形、菱形、三角形、円形、楕円形、五角形、および六角形などいかなるものでも用いることができる。好ましくは、最終的に得られる炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率を高くして、高い圧縮強度を実現するため、矩形であることが好ましい。さらに好ましくは、短辺と長辺の比が１：１〜１：４の矩形である。プリフォーム素材の断面積は、プリフォーム素材の生産性、プリフォーム素材の梱包形態の一例として円筒状芯材に巻き取られた形態を考慮し、４０〜１６００ｍｍ２であることが好ましい。
本発明のプリフォーム素材１本をプリフォームとすることもできるが、プリフォーム素材を成形型内のキャビティに複数並べ充填してプリフォームとすることもできる。本発明のプリフォーム素材以外の強化基材を併用してプリフォームとしても良い。
＜ＲＴＭ及びＶａＲＴＭ用樹脂＞
本発明に用いるＲＴＭ及びＶａＲＴＭ用マトリクス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂組成物が適しており、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができる。
本発明に用いるＲＴＭ及びＶａＲＴＭ用マトリクス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂組成物が適しており、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができる。
＜ＲＴＭ及びＶａＲＴＭ＞
本発明のプリフォーム素材を用いたプリフォームを成形した、図４に示す成型体１３は、図３に示すように、ＲＴＭまたはＶａＲＴＭにより製造される。成形型６は、上型７および下型８から構成され、成形型６内のキャビティ６ａには、樹脂供給配管１０および樹脂排出配管１１が接続されている。樹脂供給配管１０には樹脂ポット９が接続され、当該樹脂ポット８内に蓄積されている熱硬化性樹脂組成物が、樹脂供給配管１０によってキャビティ６ａに供給される。また、樹脂排出配管１１にはバルブ１２を介して図示しない樹脂排出槽および吸引ポンプが接続され、バルブ１２を開いてキャビティ６ａを吸引することにより、当該キャビティ６ａ内にもともと存在していた空気を吸引して当該キャビティ６ａ内を真空状態にしたり、供給された熱硬化性樹脂組成物を吸引して余剰分を樹脂排出槽に排出したりすることができる。
本発明のプリフォーム素材を用いたプリフォームを成形した、図４に示す成型体１３は、図３に示すように、ＲＴＭまたはＶａＲＴＭにより製造される。成形型６は、上型７および下型８から構成され、成形型６内のキャビティ６ａには、樹脂供給配管１０および樹脂排出配管１１が接続されている。樹脂供給配管１０には樹脂ポット９が接続され、当該樹脂ポット８内に蓄積されている熱硬化性樹脂組成物が、樹脂供給配管１０によってキャビティ６ａに供給される。また、樹脂排出配管１１にはバルブ１２を介して図示しない樹脂排出槽および吸引ポンプが接続され、バルブ１２を開いてキャビティ６ａを吸引することにより、当該キャビティ６ａ内にもともと存在していた空気を吸引して当該キャビティ６ａ内を真空状態にしたり、供給された熱硬化性樹脂組成物を吸引して余剰分を樹脂排出槽に排出したりすることができる。
（実施例１）
プリプレグ（三菱レイヨン株式会社製、製品名：パイロフィル ＴＲ ３５０Ｇ１２５Ｓ、目付：１２５ｇ／ｍ２）から、幅８ｍｍのスリットテープを製造する。高さが２０ｍｍ、幅が４０ｍｍ、奥行きが１０００ｍｍの賦形型に、賦形型の長軸に対し巻き付け角度１０°で螺旋状に巻き付け加熱硬化し、賦形型から脱型処理し、テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）を得る。該螺旋体の内側に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維トウ（三菱レイヨン株式会社製、製品名：パイロフィル ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、目付：１０００ｍｇ／ｍ）をトウ単位で８７４本充填し、プリフォーム素材５を得る。
プリプレグ（三菱レイヨン株式会社製、製品名：パイロフィル ＴＲ ３５０Ｇ１２５Ｓ、目付：１２５ｇ／ｍ２）から、幅８ｍｍのスリットテープを製造する。高さが２０ｍｍ、幅が４０ｍｍ、奥行きが１０００ｍｍの賦形型に、賦形型の長軸に対し巻き付け角度１０°で螺旋状に巻き付け加熱硬化し、賦形型から脱型処理し、テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）を得る。該螺旋体の内側に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維トウ（三菱レイヨン株式会社製、製品名：パイロフィル ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、目付：１０００ｍｇ／ｍ）をトウ単位で８７４本充填し、プリフォーム素材５を得る。
本発明は、炭素繊維強化複合材料による大型構造部材の製造方法に関し、ＲＴＭまたはＶａＲＴＭにおいて炭素繊維の直進性を損なうことなく、強度発現性と生産性に優れた、炭素繊維強化複合材料構造体が得られるため、航空機構造部材、ヘリコプター及び風車の羽根等の大型構造部材に広く展開でき有用である。
１・・・・・賦形型
２・・・・・プリプレグ
３・・・・・テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）
４・・・・・強化繊維
５・・・・・プリフォーム素材
６・・・・・成型型
６ａ・・・・成型型内キャビティ
７・・・・・上型
８・・・・・下型
９・・・・・樹脂ポット
１０・・・・樹脂供給配管
１１・・・・樹脂排出配管
１２・・・・バルブ
１３・・・・成型体
２・・・・・プリプレグ
３・・・・・テープ状の繊維強化複合材料から成る螺旋状の成形体（螺旋体）
４・・・・・強化繊維
５・・・・・プリフォーム素材
６・・・・・成型型
６ａ・・・・成型型内キャビティ
７・・・・・上型
８・・・・・下型
９・・・・・樹脂ポット
１０・・・・樹脂供給配管
１１・・・・樹脂排出配管
１２・・・・バルブ
１３・・・・成型体
Claims (3)
- 繊維強化複合材料から成る螺旋状の成型体と、該螺旋状の成型体の内側に充填された、一方向に引き揃えられた炭素繊維からなるプリフォーム素材。
- 横断面が矩形である請求項１に記載のプリフォーム素材。
- 請求項１または２記載のプリフォーム素材を用いて成形型上にプリフォームを形成し、該プリフォームにマトリクス樹脂組成物を含浸して、硬化させる炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015018231A JP2016141038A (ja) | 2015-02-02 | 2015-02-02 | プリフォーム素材及び繊維強化プラスチックの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015018231A JP2016141038A (ja) | 2015-02-02 | 2015-02-02 | プリフォーム素材及び繊維強化プラスチックの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016141038A true JP2016141038A (ja) | 2016-08-08 |
Family
ID=56568256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015018231A Pending JP2016141038A (ja) | 2015-02-02 | 2015-02-02 | プリフォーム素材及び繊維強化プラスチックの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2016141038A (ja) |
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2015
- 2015-02-02 JP JP2015018231A patent/JP2016141038A/ja active Pending
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