JP2016188271A - プリプレグの製造方法 - Google Patents
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Description
強化繊維トウの片側の表面(単に、「供給面」という。)にマトリックス樹脂を供給し、供給面の反対の面にまでマトリックス樹脂を均一に行き渡らせ、マトリックス樹脂の含浸が十分に進んだトウプリプレグを得ることは、用いる強化繊維トウが多くの単繊維からなればなるほど困難であった。
強化繊維トウへのマトリックス樹脂の含浸が不十分であると、トウプリプレグを使用して作製した成形物には、ボイド等の欠陥が多く発生し、成形物の強度低下の原因となる。
単繊維数の多い強化繊維トウに十分にマトリックス含浸する方法としては、含浸のための加熱ロールの本数を増やしたり、トウプリプレグの製造速度を落とし加熱ロールとの接触時間を増やしたり、強化繊維トウの両面からマトリックス樹脂を供給したりする方法(特許文献1)が知られている。
しかし、これらの方法はトウプリプレグ製造設備の初期投資を押し上げたり、製造コストを押し上げたりする問題があった。
ここで、真円度は、下記式(1)で求められる値であり、SとLはそれぞれ、光学顕微鏡で補強繊維の単繊維の繊維軸に垂直な断面の形状を観察し画像解析から得られる単繊維の断面積と周長である。
真円度=(4πS)/L2・・・・(1)
本発明における炭素繊維プリプレグの炭素繊維は特には限定されないが、PAN系炭素繊維、PITCH系炭素繊維が挙げられる。望ましくはPAN系炭素繊維である。炭素繊維は、同じプリプレグについて1種類のものを使用しても良いし、複数種類のものを使用してもかまわない。
真円度 = 4πS/L2 (I)
本発明のトウプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂組成物は、加熱により架橋構造を形成するものであればいずれを用いても良く、熱硬化性樹脂、硬化剤、その他の付加成分からなる。また本発明のトウプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂組成物は、1種類の熱硬化性樹脂組成物のみを使用しても2種類以上の熱硬化性樹脂組成物を使用しても良い。熱硬化性樹脂組成物の中でも、エポキシ樹脂組成物は炭素繊維と合わせて使用することで強度、耐熱性等の物性が優れた成形品を得ることができるため好ましい。
通常、エポキシ樹脂という用語は熱硬化性樹脂の一つのカテゴリーの名称、および分子内に複数の1,2−エポキシ基を有する化合物という化学物質のカテゴリーの名称として用いられるが、本発明においては後者の意味で用いられる。また、エポキシ樹脂組成物という用語はエポキシ樹脂と硬化剤、場合により他の成分を含む組成物を意味する。
本発明のプリプレグに含まれるマトリックス樹脂組成物に含まれるエポキシ樹脂の硬化剤は、例えばルイス酸アミン錯体、アミン、酸無水物(カルボン酸無水物等)、フェノール
(ノボラック樹脂等)、メルカプタン、オニウム塩、イミダゾールなどが挙げられるが、エポキシ樹脂を硬化させうるものであればどのような構造のものでもよい。これらの中でも、ルイス酸アミン錯体やアミン型の硬化剤が好ましい。これら硬化剤は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明のプリプレグに含まれるマトリックス樹脂組成物は、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー及びエラストマーからなる群より選ばれた1種以上の付加成分を含有してもよい。これらの付加成分は、マトリックス樹脂組成物の粘度、貯蔵弾性率及びチキソトロピー性を適正化する役割があり、かつ、マトリックス樹脂組成物の硬化物の粘弾性を変化させたり、靭性を向上させたり等の役割がある。これらの付加成分は、各種成分と共に混合してもよいし、予めエポキシ樹脂中に溶解しておいてもよい。
ゴム粒子が著しく多い場合はエポキシ樹脂への分散が困難となったり、エポキシ樹脂組成物が高粘度となってしまい、取り扱いや強化繊維束への含浸が困難となる問題が生じる場合がある。逆に、ゴム粒子が著しく少ない場合は、硬化後のエポキシ樹脂組成物の靭性向上が不十分で、本発明の効果が得られないという問題が生じる可能性がある。
本発明のトウプリプレグに使用する熱硬化性樹脂組成物の、30℃における粘度は300Pa・s以下であることが好ましく、150Pa・s以下がより好ましい。粘度が300Pa・sを超えるとエポキシ樹脂組成物が高粘度となるため取り扱いや強化繊維束への含浸が困難になったり、トウプリプレグとした場合にボビンからの解舒、工程通過性、ドレープ性に問題が生じる場合がある。
即ち、本発明の第1の態様におけるエポキシ樹脂組成物の30℃における粘度は、0.1Pa・s以上、300Pa・s以下であることが好ましく、0.1Pa・s以上、 150 Pa・s以下がより好ましい。
トウプリプレグに含まれるエポキシ樹脂組成物の含有量は、20質量%以上40質量%以下が好ましい。エポキシ樹脂組成物の含有量が20質量%以上であれば強化繊維束中にエポキシ樹脂組成物を十分に行き渡らせることができ、40質量%以下であれば強化繊維複合材料の繊維含有体積率が高くなるため、機械特性を効果的に発現できる。機械特性をより効果的に発現させるには、エポキシ樹脂組成物の含有量は20質量%以上30質量%以下であることがより好ましい。
本発明のトウプリプレグは、公知の製造方法により製造できるが、中でも以下の工程(1)〜(5)を経て製造することが好ましい。
工程(1):強化繊維束(トウ)の少なくとも片面にエポキシ樹脂組成物を供給する前に、予めトウを加熱、拡幅する。
工程(2):強化繊維束の少なくとも片面にエポキシ樹脂組成物を供給する。
工程(3):供給したエポキシ樹脂組成物を強化繊維束へ均一に含浸させる。
工程(4):トウプリプレグの温度を室温程度まで冷却する。
工程(5):トウプリプレグを紙管等のボビンに巻き取る。
以上説明した本発明のトウプリプレグは、十分にマトリックス樹脂が含浸され、成形物の強度低下が抑えられ力学特性に優れる繊維強化複合材料を生産性よく得られる。
本発明のトウプリプレグは、上記の特性を有するため、フィラメントワインディング成形法で作製する複合材料補強圧力容器や引き抜き成形法で作製する緊張材等に適する。
<炭素繊維>
・炭素繊維トウ1
平均単繊維繊度:1.35dtex
真円度:0.76
直径Di:11.9μm
フィラメント数:24000 本
ストランド強度:4500 MPa
ストランド弾性率:242 GPa
平均単繊維繊度:0.53dtex
真円度:0.85
直径Di:7.0μm
フィラメント数:60000 本
ストランド強度:4900 MPa
ストランド弾性率:250 GPa
「製品名」カネエースMX−154
「成分」ビスフェノールA型エポキシ樹脂(2官能エポキシ樹脂。エポキシ当量:189g/eq):60質量%、ブタジエン系コアシェル型ゴム粒子(体積平均粒径:100nm):40質量%
「メーカー」株式会社カネカ
「製品名」DY9577
「成分」三塩化ホウ素アミン錯体
「メーカー」ハンツマン・ジャパン株式会社・ジシアンジアミド
フラスコにカネエースMX−154とDY9577とを10対1の比で秤量した。60度に設定したウォーターバスを使用してフラスコを加温しながら、スリーワンモーターと撹拌翼とを使用してカネエースMX−154とDY9577とが均一となるまで撹拌することで、マトリックス樹脂を得た。
マトリックス樹脂の粘度測定方法は次の方法による。すなわち、TAインスツルメント社製のAR−G2または同等の装置により、測定周波数10rad/sec.、25mm直径の平プレート、プレート間ギャップは0.5mm、昇温速度2℃/分の条件で26℃〜34℃までの温度範囲で測定し、30℃での粘度を求める。30℃調度での測定値が得られない場合はもっとも近い2点から補完して求める。
(1)サンプルの作製
長さ5cmに切断した炭素繊維束をエポキシ樹脂(エポマウント主剤:エポマウント硬化剤=100:9(質量比))に包埋し、2cmに切断して横断面を露出させ、鏡面処理した。
更に、繊維の外形を明瞭にするために、サンプルの横断面を次の方法でエッチング処理した。
・使用装置:日本電子(株) JP−170 プラズマエッチング装置
・処理条件:雰囲気ガス:Ar/02=75/25
・プラズマ出力:50W
・真空度:約120Pa
・処理時間:5分間
前記(1)及び(2)により得られたサンプルの横断面を、SEM(PHILIPS FEI―XL20)を用いて観察し、画面上に5個以上の繊維断面が写っている写真を任意に5枚撮影した。
各サンプルについて5枚の顕微鏡写真から任意に20個、ただし1枚の写真から3個以上の単繊維断面を選んで、画像解析ソフトウエア(日本ローパー(株)製、製品名:Image−Pro PLUS)を用いて繊維断面の外形をトレースし、断面の長径(最大フェレ径)dを計測した。選んだ単繊維断面全ての長径dの平均を、炭素繊維単繊維の直径Diとした。
画像解析ソフトウエア(日本ローパー(株)製、製品名 :Image−Pro PLUS)を用いて繊維断面 の外形をトレースし、周長Lおよび面積Sを計測した。各サンプルについて5枚の写真から任意に20個、ただし1枚の写真から3個以上の繊維断面を選んで計測し、LおよびSの平均値を求め、次式により真円度を算出した。
・真円度=(4πS)/L2
先に調製したマトリックス樹脂と炭素繊維トウ1、または炭素繊維トウ2とを用いて、以下のようにしてトウプリプレグを作製した。
トウプリプレグのタック値を以下の通り測定した。
装置:タックテスター TA−500(株式会社ユービーエム製)
測定条件
接触面積 : 3.131cm2
プランジャーの押しつけ時間 : 10秒
プランジャーの押しつけ荷重 : 90,000Pa
タック測定時の上昇速度 : 1mm/秒
測定温度 : 23℃/50%
2)試料台をタックテスターに装着し、上記の条件で測定した。
3)プランジャーを上昇させる際の最大ストレス値をタック値とし、n=3の平均値を結果とした。
炭素繊維トウ1にマトリックス樹脂を含有率が33wt%となるように含浸させ実施例1のトウプリプレグを得た。当該トウプリプレグのマトリックス樹脂供給面のタックと反供給面のタックを測定した。供給面のタック値は9.3kPa、反供給面のタック値は9.0kPaであった。供給面のタック値と反供給面のタック値が同程度であり、炭素繊維トウへ片面のみマトリックス樹脂を供給したが反供給面まで十分に含浸していることが分かる。
炭素繊維トウ2にマトリックス樹脂を含有率が33wt%となるように含浸させ比較例1のトウプリプレグを得た。当該トウプリプレグのマトリックス樹脂供給面のタックと反供給面のタックを測定した。供給面のタック値は9.3kPa、反供給面のタック値は7.7kPaであった。供給面のタック値と比較して反供給面のタック値が低く、炭素繊維トウへ片面のみマトリックス樹脂を供給したが反供給面まで十分に含浸していないことが分かる。
Claims (1)
- 単繊維繊度1.0dtex以上2.4dtex以下、単繊維の繊維軸に垂直な断面形状が真円度0.7以上0.9以下である炭素繊維束にエポキシ樹脂組成物を含浸するトウプリプレグの製造方法。
ここで、真円度は、下記式(1)で求められる値であり、SとLはそれぞれ、光学顕微鏡で補強繊維の単繊維の繊維軸に垂直な断面の形状を観察し画像解析から得られる単繊維の断面積と周長である。
真円度=(4πS)/L2・・・・(1)
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