JP2016203397A - Method for producing prepreg - Google Patents

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坂元 肇
Hajime Sakamoto
肇 坂元
将隆 喜田
Masataka Kida
将隆 喜田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a prepreg by a dry method which can raise a temperature even of a resin composition having high viscosity to a temperature capable of being impregnated in a short time.SOLUTION: The temperature of a resin composition can be instantly raised to a temperature capable of being impregnated by applying ultrasonic oscillation to the resin composition with the use of a resin impregnation apparatus having a heating section having an ultrasonic oscillator, an ultrasonic vibrator connected to the ultrasonic oscillator, and an ultrasonic horn mounted on the ultrasonic vibrator, and an impregnation section for nipping and compressing a base material-resin laminate in its thickness direction.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はプリプレグの製造方法に関する。特に、繊維強化基材の少なくとも一表面に樹脂組成物の層を積層して加熱及び加圧することにより、前記繊維強化基材内に前記樹脂組成物を含浸するプリプレグの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a prepreg. In particular, the present invention relates to a method for producing a prepreg in which a layer of a resin composition is laminated on at least one surface of a fiber reinforced substrate, and heated and pressed to impregnate the resin composition in the fiber reinforced substrate.

強化繊維と樹脂とから構成される繊維強化複合材料は、軽量、高強度、高弾性率等の特長により、航空機、スポーツ・レジャー、一般産業に広く応用されている。この繊維強化複合材料は、強化繊維と樹脂とが一体化されて成るプリプレグを経由して製造されることが多い。   Fiber reinforced composite materials composed of reinforced fibers and resins are widely applied to aircraft, sports / leisure and general industries due to their features such as light weight, high strength, and high elastic modulus. This fiber-reinforced composite material is often manufactured via a prepreg formed by integrating reinforcing fibers and a resin.

プリプレグは、強化繊維で構成される繊維強化基材と、この繊維強化基材内に含浸された樹脂組成物と、から構成されている。このようなプリプレグの製造方法としては、樹脂組成物を有機溶媒に溶解させて繊維強化基材内に含浸させた後に該有機溶媒を除去する方法(湿式法)と、樹脂組成物を加熱することにより粘度を低下させて繊維強化基材内に含浸させる方法(乾式法)とがある。乾式法は、有機溶媒が残存しないため好ましい。乾式法により、プリプレグを製造する場合、繊維強化基材内に樹脂組成物を含浸させるためには、樹脂組成物を含浸可能な粘度になるまで加熱することが必要である。   The prepreg is composed of a fiber reinforced base material composed of reinforcing fibers and a resin composition impregnated in the fiber reinforced base material. As a method for producing such a prepreg, a method of removing the organic solvent after dissolving the resin composition in an organic solvent and impregnating the fiber reinforced substrate (wet method), and heating the resin composition There is a method (dry method) in which the viscosity is lowered and impregnated into the fiber reinforced base material. The dry method is preferable because no organic solvent remains. When manufacturing a prepreg by a dry method, in order to impregnate a resin composition in a fiber reinforced base material, it is necessary to heat until it becomes the viscosity which can impregnate a resin composition.

航空機や自動車などの構造材用途では、近年の需要拡大に伴い更なる軽量化や材料強度向上が強く要求されている。強度向上のため樹脂組成物に靱性付与剤のような添加剤を添加したり、マトリックス樹脂自体の靱性を高めたりすることで、樹脂組成物の粘度が高くなり、繊維強化基材への十分な含浸が困難になってきている。これらの樹脂組成物を含浸可能な粘度になるまで加熱するには、長い時間が必要であり、プリプレグの生産性が低下する。また、樹脂組成物として熱硬化性樹脂を用いる場合、長時間の加熱により熱硬化性樹脂の硬化反応が進行するため、得られるプリプレグのタック性やドレープ性等を悪化させる場合がある。そのため、樹脂組成物を短時間で含浸可能な粘度に低下させることが求められる。   In structural material applications such as aircraft and automobiles, further weight reduction and improvement in material strength are strongly demanded with the recent increase in demand. By adding an additive such as a toughness-imparting agent to the resin composition to improve the strength, or by increasing the toughness of the matrix resin itself, the viscosity of the resin composition increases, which is sufficient for the fiber-reinforced substrate. Impregnation is becoming difficult. It takes a long time to heat these resin compositions until they can be impregnated, and the prepreg productivity decreases. Moreover, when using a thermosetting resin as a resin composition, since the hardening reaction of a thermosetting resin advances by heating for a long time, the tack property, drape property, etc. of a prepreg obtained may be deteriorated. Therefore, it is required to lower the viscosity so that the resin composition can be impregnated in a short time.

特許文献1には、繊維基材に液状樹脂を接触させる含浸ロールと、含浸ロールと繊維基材に液状樹脂を供給する樹脂含浸槽とを備え、その樹脂含浸槽を超音波振動装置に振動可能に取り付けた樹脂含浸装置が開示されている。この装置は、湿式法において、液状樹脂が含浸される繊維基材に超音波振動を加えて振動させることにより、液状樹脂の繊維基材内への含浸を促進しようとするものである。   Patent Document 1 includes an impregnation roll for bringing a liquid resin into contact with a fiber base material, a resin impregnation tank for supplying the liquid resin to the impregnation roll and the fiber base material, and the resin impregnation tank can be vibrated by an ultrasonic vibration device. A resin impregnating device attached to is disclosed. This apparatus intends to promote the impregnation of the liquid resin into the fiber base material by applying ultrasonic vibration to the fiber base material impregnated with the liquid resin in a wet method.

特開平11−226952号公報JP-A-11-226952

従来、高粘度樹脂組成物を用いて乾式法によってプリプレグを製造する場合、繊維強化基材に含浸する樹脂組成物を含浸可能な温度に昇温するまでに長時間を要している。本発明の課題は、乾式法によってプリプレグを製造する場合において、樹脂組成物を含浸可能な温度に短時間で昇温するプリプレグの製造方法を提供することである。   Conventionally, when a prepreg is produced by a dry method using a high-viscosity resin composition, it takes a long time to raise the temperature to a temperature at which the resin composition impregnated into the fiber reinforced substrate can be impregnated. The subject of this invention is providing the manufacturing method of a prepreg which heats up in a short time to the temperature which can be impregnated with a resin composition, when manufacturing a prepreg by a dry process.

本発明者らは、乾式法によってプリプレグを製造する場合において、所定の方法によって瞬時に樹脂組成物を加熱することにより、瞬時に該樹脂組成物を含浸可能な温度に昇温することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   In the case of producing a prepreg by a dry method, the inventors of the present invention can instantaneously raise the temperature to a temperature at which the resin composition can be impregnated by heating the resin composition by a predetermined method. The headline and the present invention were completed.

上記課題を解決する本発明は、以下に記載のものである。   The present invention for solving the above problems is as follows.

〔1〕 繊維強化基材の少なくとも一表面に樹脂組成物の層を積層し、前記樹脂組成物の層を加熱及び加圧することにより前記樹脂組成物を溶融して前記繊維強化基材内に含浸するプリプレグの製造方法であって、
前記樹脂組成物の加熱時における昇温速度が100℃/秒以上であることを特徴とするプリプレグ製造方法。
[1] A layer of a resin composition is laminated on at least one surface of a fiber reinforced substrate, and the resin composition is melted by heating and pressing the resin composition layer to impregnate the fiber reinforced substrate. A method of manufacturing a prepreg
A method for producing a prepreg, wherein a rate of temperature rise during heating of the resin composition is 100 ° C./second or more.

〔2〕 前記樹脂組成物の加熱温度が、前記樹脂組成物のゲル化温度以上である〔1〕に記載のプリプレグ製造方法。   [2] The prepreg manufacturing method according to [1], wherein the heating temperature of the resin composition is equal to or higher than the gelation temperature of the resin composition.

〔3〕 前記樹脂組成物の加熱時間が、1秒未満である〔1〕又は〔2〕に記載のプリプレグ製造方法。   [3] The method for producing a prepreg according to [1] or [2], wherein the heating time of the resin composition is less than 1 second.

〔4〕 前記樹脂組成物の加熱が、超音波加熱、誘導加熱、レーザー加熱又は過熱水蒸気加熱である〔1〕乃至〔3〕の何れかに記載のプリプレグ製造方法。   [4] The prepreg manufacturing method according to any one of [1] to [3], wherein the heating of the resin composition is ultrasonic heating, induction heating, laser heating, or superheated steam heating.

〔5〕 前記樹脂組成物の加熱が、超音波加熱である〔1〕乃至〔3〕の何れかに記載のプリプレグ製造方法。   [5] The prepreg manufacturing method according to any one of [1] to [3], wherein the heating of the resin composition is ultrasonic heating.

〔6〕 前記樹脂組成物が、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物である〔1〕乃至〔5〕の何れかに記載のプリプレグ製造方法。   [6] The prepreg manufacturing method according to any one of [1] to [5], wherein the resin composition is a resin composition containing a thermosetting resin.

〔7〕 前記繊維強化基材が、炭素繊維を含む繊維強化基材である〔1〕乃至〔6〕の何れかに記載のプリプレグ製造方法。   [7] The prepreg manufacturing method according to any one of [1] to [6], wherein the fiber-reinforced base material is a fiber-reinforced base material containing carbon fibers.

本発明のプリプレグの製造方法は、繊維強化基材に含浸する樹脂組成物の溶融が瞬時に行われる。そのため、プリプレグの生産性が高い。また、プリプレグを構成する樹脂組成物として熱硬化性樹脂を用いる場合は、樹脂組成物の加熱時間が短いため、熱硬化性樹脂の硬化を高度に抑制できる。そのため、プリプレグを構成する樹脂の選択の幅が拡がる。   In the method for producing a prepreg of the present invention, the resin composition impregnated in the fiber reinforced base material is instantaneously melted. Therefore, the productivity of prepreg is high. Moreover, when using a thermosetting resin as a resin composition which comprises a prepreg, since the heating time of a resin composition is short, hardening of a thermosetting resin can be suppressed highly. Therefore, the selection range of the resin constituting the prepreg is expanded.

図1は、本発明のプリプレグ製造方法に用いる樹脂含浸装置の一構成例を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration example of a resin impregnation apparatus used in the prepreg manufacturing method of the present invention. 図2は、本発明のプリプレグ製造方法に用いる樹脂含浸装置の他の構成例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing another configuration example of the resin impregnation apparatus used in the prepreg manufacturing method of the present invention. 図3は、図1の樹脂含浸装置を用いて製造するプリプレグの製造工程を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a prepreg manufactured using the resin impregnation apparatus of FIG. 図4は、本発明のプリプレグ製造方法に用いる樹脂含浸装置の他の構成例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing another configuration example of the resin impregnation apparatus used in the prepreg manufacturing method of the present invention.

本発明のプリプレグ製造方法は、繊維強化基材の少なくとも一表面に樹脂組成物の層を積層し、この樹脂組成物の層を加熱及び加圧することにより樹脂組成物を溶融し、繊維強化基材内に含浸する。樹脂組成物の加熱時における昇温速度は、100℃/秒以上であることを特徴とする。昇温速度が100℃/秒以上とする加熱方法としては、超音波加熱、誘導加熱、レーザー加熱又は過熱水蒸気加熱が例示される。予熱が不要であり、熱効率が高く、製造設備を簡便に構成できる観点から、超音波加熱が好ましい。なお、加熱金属板に樹脂組成物を接触させる従来の加熱方法は、昇温速度が30〜50℃/秒程度である。
以下、超音波加熱によるプリプレグの製造方法について説明する。
In the prepreg manufacturing method of the present invention, a layer of a resin composition is laminated on at least one surface of a fiber reinforced base material, and the resin composition is melted by heating and pressurizing the layer of the resin composition. Impregnate inside. The temperature rising rate during heating of the resin composition is 100 ° C./second or more. Examples of the heating method with a temperature increase rate of 100 ° C./second or more include ultrasonic heating, induction heating, laser heating, and superheated steam heating. From the viewpoint that preheating is not required, thermal efficiency is high, and manufacturing equipment can be simply configured, ultrasonic heating is preferable. In addition, as for the conventional heating method which makes a resin composition contact a heating metal plate, a temperature increase rate is about 30-50 degree-C / sec.
Hereinafter, the manufacturing method of the prepreg by ultrasonic heating is demonstrated.

(1)樹脂含浸装置
図1は、超音波加熱によって樹脂組成物を繊維強化基材内に含浸する樹脂含浸装置の一構成例を示す説明図である。
(1) Resin impregnation apparatus FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration example of a resin impregnation apparatus for impregnating a fiber reinforced base material with a resin composition by ultrasonic heating.

図1中、100は樹脂含浸装置である。樹脂含浸装置100は、超音波発振機11と超音波振動子13と超音波ホーン15とから成る加熱部と、含浸ローラー21から成る含浸部と、から大略構成されている。   In FIG. 1, 100 is a resin impregnation apparatus. The resin impregnation apparatus 100 is roughly constituted by a heating unit composed of an ultrasonic oscillator 11, an ultrasonic transducer 13 and an ultrasonic horn 15, and an impregnation unit composed of an impregnation roller 21.

加熱部は次のように構成される。
超音波発振機11は超音波振動子13に接続されており、超音波振動子13には超音波ホーン15が取り付けられている。超音波発振機11は、50/60Hzの電気的信号を15〜35kHzの電気的信号に変換して超音波振動子13に供給する。超音波振動子13は、超音波発振機11から供給された電気的信号を15〜35kHzの超音波振動エネルギーに変換して超音波ホーン15に供給する。超音波ホーン15は、超音波振動子13からされた超音波振動エネルギーをホーンの先端に集中させる。超音波ホーン15は、その先端部の下を通過する物質に対して超音波振動を与える。超音波振動が付与された物質は、超音波振動による摩擦熱によって発熱する。
The heating unit is configured as follows.
The ultrasonic oscillator 11 is connected to an ultrasonic vibrator 13, and an ultrasonic horn 15 is attached to the ultrasonic vibrator 13. The ultrasonic oscillator 11 converts an electric signal of 50/60 Hz into an electric signal of 15 to 35 kHz and supplies the electric signal to the ultrasonic vibrator 13. The ultrasonic transducer 13 converts the electrical signal supplied from the ultrasonic oscillator 11 into ultrasonic vibration energy of 15 to 35 kHz and supplies it to the ultrasonic horn 15. The ultrasonic horn 15 concentrates the ultrasonic vibration energy generated from the ultrasonic vibrator 13 on the tip of the horn. The ultrasonic horn 15 applies ultrasonic vibration to the substance passing under the tip. A substance to which ultrasonic vibration is applied generates heat due to frictional heat generated by ultrasonic vibration.

加熱部の後段には、複数(図1においては6個)の含浸ローラー21が対向して設けられている。含浸ローラー21は、対向して配設されている含浸ローラー21間を通過するシート状物をその厚さ方向に挟圧するように構成されている。   A plurality (six in FIG. 1) of impregnation rollers 21 are provided opposite to the rear stage of the heating unit. The impregnation roller 21 is configured so as to sandwich a sheet-like material passing between the impregnation rollers 21 disposed facing each other in the thickness direction.

(2)プリプレグの製造方法
次に、プリプレグ製造時における樹脂含浸装置100の動作及びプリプレグの製造方法について説明する。
(2) Manufacturing method of prepreg Next, operation | movement of the resin impregnation apparatus 100 at the time of prepreg manufacture and the manufacturing method of a prepreg are demonstrated.

図1中、34は基材−樹脂積層体である。基材−樹脂積層体34は、繊維強化基材と、該繊維強化基材の少なくとも1表面に積層された樹脂組成物層と、から構成されている。樹脂組成物層は、繊維強化基材に少なくとも一部が未含浸の状態である。基材−樹脂積層体34の詳細については後述する。基材−樹脂積層体34は、搬送ローラー25によって、図中矢印A方向に走行している。基材−樹脂積層体34は、超音波ホーン15下を通過する際に超音波振動が付与されて発熱する。これにより、基材−樹脂積層体34を構成する樹脂組成物層は、瞬時に溶融して粘度が低下する。樹脂組成物が溶融状態にある基材−樹脂積層体34は、次いで含浸ローラー21に送られて、ここで挟圧される。これにより、基材−樹脂積層体34を構成する樹脂組成物層は、繊維強化基材内に含浸する。含浸ローラー21から排出された基材−樹脂積層体34は冷却(図1においては自然放冷)されてプリプレグ36が得られる。   In FIG. 1, 34 is a substrate-resin laminate. The base material-resin laminate 34 is composed of a fiber reinforced base material and a resin composition layer laminated on at least one surface of the fiber reinforced base material. The resin composition layer is in a state where at least a part of the fiber reinforced base material is not impregnated. Details of the substrate-resin laminate 34 will be described later. The base material-resin laminate 34 travels in the direction of arrow A in the figure by the transport roller 25. When the base material-resin laminate 34 passes under the ultrasonic horn 15, ultrasonic vibration is applied to generate heat. Thereby, the resin composition layer which comprises the base-resin laminated body 34 fuse | melts instantly, and a viscosity falls. The base material-resin laminate 34 in which the resin composition is in a molten state is then sent to the impregnation roller 21 where it is nipped. Thereby, the resin composition layer which comprises the base material-resin laminated body 34 is impregnated in a fiber reinforced base material. The substrate-resin laminate 34 discharged from the impregnation roller 21 is cooled (naturally cooled in FIG. 1) to obtain a prepreg 36.

樹脂組成物の昇温速度は、100℃/秒以上であり、300℃/秒以上が好ましく、500℃/秒以上が更に好ましい。上限値は特に制限されないが、通常は2500℃/秒未満である。100℃/秒未満である場合、プリプレグの生産性を向上させる効果が低い。   The temperature rising rate of the resin composition is 100 ° C./second or more, preferably 300 ° C./second or more, and more preferably 500 ° C./second or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually less than 2500 ° C./second. When it is less than 100 ° C./second, the effect of improving the prepreg productivity is low.

樹脂組成物の加熱温度は、150〜500℃であることが好ましく、200〜500℃であることが更に好ましい。   The heating temperature of the resin composition is preferably 150 to 500 ° C, and more preferably 200 to 500 ° C.

樹脂含浸装置100は、超音波振動により瞬時に基材−樹脂積層体34を加熱するが、繊維強化基材内への樹脂組成物の含浸が完了するまで加熱状態を保持するために、含浸ローラー21付近に補助加熱装置23を設けても良い。補助加熱装置23としては、金属製の熱板等が例示される。   The resin impregnation apparatus 100 instantaneously heats the base material-resin laminate 34 by ultrasonic vibration, but in order to maintain the heated state until the impregnation of the resin composition into the fiber reinforced base material is completed, an impregnation roller An auxiliary heating device 23 may be provided in the vicinity of 21. Examples of the auxiliary heating device 23 include a metal hot plate.

樹脂含浸装置100は、複数対の含浸ローラーが配設されているが、これに限らず、1のローラーにより含浸を行っても良い。各ローラーは、ローラー表面に凹凸等を形成して基材−樹脂積層体34やプリプレグ36との接触面積を小さくすることが好ましい。凹凸は、基材−樹脂積層体34やプリプレグ36との接触面積が1/5以下になるように形成することが好ましく、1/8以下であることがより好ましい。ローラー表面の摩擦抵抗を下げるために、ローラーをテフロン(デュポン社の登録商標)、セラミックのような材料で構成するか、該材料でローラー表面をコーティングするのも有効である。   The resin impregnation apparatus 100 is provided with a plurality of pairs of impregnation rollers. However, the present invention is not limited to this, and the impregnation may be performed by one roller. Each roller preferably forms irregularities on the roller surface to reduce the contact area with the substrate-resin laminate 34 and the prepreg 36. The irregularities are preferably formed such that the contact area with the substrate-resin laminate 34 and the prepreg 36 is 1/5 or less, and more preferably 1/8 or less. In order to reduce the frictional resistance of the roller surface, it is also effective to construct the roller with a material such as Teflon (registered trademark of DuPont), ceramic, or coat the roller surface with the material.

本発明に用いる超音波発振機11は、超音波を発するものであれば特に限定されない。振動数は、10〜100kHzであることが好ましく、10〜60kHzであることがより好ましく、15〜40kHzであることが特に好ましい。振動数が10kHz未満である場合、基材−樹脂積層体の温度が十分に上がらない。振動数が100kHzを超える場合、温度が上がりすぎて樹脂が硬化する。   The ultrasonic oscillator 11 used in the present invention is not particularly limited as long as it emits ultrasonic waves. The frequency is preferably 10 to 100 kHz, more preferably 10 to 60 kHz, and particularly preferably 15 to 40 kHz. When the frequency is less than 10 kHz, the temperature of the base material-resin laminate is not sufficiently increased. When the frequency exceeds 100 kHz, the temperature rises too much and the resin is cured.

超音波ホーン15の振動振幅は、10〜80μmであることが好ましく、40〜80μmであることがより好ましい。振動振幅が10μm未満である場合、温度が十分に上がらない。振動振幅が80μmを超える場合、温度が上がりすぎて樹脂が硬化する。   The vibration amplitude of the ultrasonic horn 15 is preferably 10 to 80 μm, and more preferably 40 to 80 μm. When the vibration amplitude is less than 10 μm, the temperature does not rise sufficiently. When the vibration amplitude exceeds 80 μm, the temperature rises too much and the resin is cured.

前記超音波発振機の出力は、100〜4000Wであることが好ましく、400〜1000Wであることがより好ましい。出力が100W未満である場合、温度が十分に上がらない。出力が4000Wを超える場合、温度が上がり過ぎて樹脂が硬化する。   The output of the ultrasonic oscillator is preferably 100 to 4000 W, and more preferably 400 to 1000 W. When the output is less than 100 W, the temperature does not rise sufficiently. When the output exceeds 4000 W, the temperature rises too much and the resin is cured.

超音波の付与時間は、1秒以下であることが好ましい。下限値は特に限定されないが、通常0.1秒以上であり、0.2秒以上が好ましい。超音波の付与時間は、被加熱物が超音波ホーン15部分を通過する速度により調整できる。また、超音波の付与時間を調整することによって、樹脂組成物の最高到達温度を制御できる。   The application time of ultrasonic waves is preferably 1 second or less. Although a lower limit is not specifically limited, Usually, it is 0.1 second or more, and 0.2 second or more is preferable. The application time of ultrasonic waves can be adjusted by the speed at which the object to be heated passes through the ultrasonic horn 15 portion. Moreover, the maximum temperature reached of the resin composition can be controlled by adjusting the application time of ultrasonic waves.

上記の樹脂含浸装置は、樹脂組成物を目的とする温度に瞬時に昇温できるため、従来の熱板を用いる加熱と比べ、樹脂組成物が高温に晒される時間を大幅に短縮できる。そのため、従来法よりも高い温度に加熱して樹脂組成物の粘度を更に低下させ、樹脂組成物の繊維強化基材に対する含浸性をより高くすることができる。例えば、プリプレグを構成する樹脂として熱可塑性樹脂が溶解している熱硬化性樹脂を用いる場合、上記の樹脂含浸装置は、熱可塑性樹脂が溶解している高粘度の樹脂組成物の温度を瞬時に上昇できるため、従来法よりも高い温度に加熱して樹脂組成物の粘度を更に低下させ、樹脂組成物の繊維強化基材に対する含浸性をより高くすることができる。このような方法によって樹脂組成物を含浸させても、熱硬化性樹脂の硬化温度付近に晒される時間はごく僅かであるため、熱硬化性樹脂の硬化反応は実質的に進行しない。一方、熱板を用いる従来の加熱による場合、含浸温度に達するまで長時間を要する。そのため、樹脂組成物が硬化温度付近で長時間晒される。その結果、樹脂組成物の硬化反応が進行し易い。   Since the above resin impregnation apparatus can instantaneously raise the temperature of the resin composition to a target temperature, the time during which the resin composition is exposed to a high temperature can be greatly shortened as compared with heating using a conventional hot plate. Therefore, the viscosity of the resin composition can be further reduced by heating to a temperature higher than that of the conventional method, and the impregnation property of the resin composition with respect to the fiber reinforced base material can be further increased. For example, when a thermosetting resin in which a thermoplastic resin is dissolved is used as the resin constituting the prepreg, the above resin impregnation apparatus instantly sets the temperature of the high viscosity resin composition in which the thermoplastic resin is dissolved. Therefore, the viscosity of the resin composition can be further lowered by heating to a temperature higher than that of the conventional method, and the impregnation property of the resin composition with respect to the fiber reinforced base material can be further increased. Even if the resin composition is impregnated by such a method, the time for exposure to the vicinity of the curing temperature of the thermosetting resin is very short, so that the curing reaction of the thermosetting resin does not substantially proceed. On the other hand, in the case of conventional heating using a hot plate, it takes a long time to reach the impregnation temperature. Therefore, the resin composition is exposed for a long time near the curing temperature. As a result, the curing reaction of the resin composition is likely to proceed.

樹脂含浸装置100は、加熱部と含浸部とが異なるゾーンに配設されているが、これに限らず、加熱部と含浸部とを同一のゾーンに配設しても良い。図2は、樹脂含浸装置の他の構成例を示す説明図である。図1と同一の構成については同一の参照符号を付してその説明を省略する。図2中、200は樹脂含浸装置であり、図1の含浸ローラー21に代えて含浸ローラー27が配設されている。含浸ローラー27は、超音波ホーン15に対向して設けられている。超音波ホーン15は、その上部に設けられた荷重付加用シリンダ17によって、超音波ホーン15の先端部に付加される荷重を調整できるように構成されている。   In the resin impregnation apparatus 100, the heating unit and the impregnation unit are disposed in different zones. However, the present invention is not limited thereto, and the heating unit and the impregnation unit may be disposed in the same zone. FIG. 2 is an explanatory view showing another configuration example of the resin impregnation apparatus. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 2, 200 is a resin impregnation apparatus, and an impregnation roller 27 is disposed in place of the impregnation roller 21 of FIG. The impregnation roller 27 is provided to face the ultrasonic horn 15. The ultrasonic horn 15 is configured so that the load applied to the tip of the ultrasonic horn 15 can be adjusted by a load applying cylinder 17 provided on the ultrasonic horn 15.

基材−樹脂積層体34は、超音波ホーン15の先端部と含浸ローラー27との間を通過することにより、超音波振動によって樹脂組成物層が溶融する。また、超音波ホーン15の先端部と含浸ローラー27との間における挟圧によって、該溶融した樹脂組成物が繊維強化基材内に含浸される。基材−樹脂積層体34を構成する樹脂組成物層は、超音波ホーン15の先端部において瞬時に含浸可能な温度まで上昇する。そのため、樹脂含浸装置200を用いる場合、樹脂組成物層の溶融と含浸とが略同時に達成される。即ち、この装置を用いるプリプレグの製造方法は、樹脂組成物を溶融しながら繊維強化基材内に含浸することができ、該工程が1秒以下で完了する。   As the base material-resin laminate 34 passes between the tip of the ultrasonic horn 15 and the impregnation roller 27, the resin composition layer is melted by ultrasonic vibration. Further, the molten resin composition is impregnated in the fiber reinforced base material by the clamping pressure between the tip of the ultrasonic horn 15 and the impregnation roller 27. The resin composition layer constituting the substrate-resin laminate 34 rises to a temperature at which the tip of the ultrasonic horn 15 can be impregnated instantaneously. Therefore, when the resin impregnation apparatus 200 is used, melting and impregnation of the resin composition layer can be achieved substantially simultaneously. That is, the prepreg manufacturing method using this apparatus can impregnate the fiber reinforced base material while melting the resin composition, and the process is completed in 1 second or less.

樹脂の粘着性が高い場合、基材−樹脂積層体や得られるプリプレグが各ローラーに巻き付いたり、各ローラーに樹脂が付着したりする。これを防ぐために、基材−樹脂積層体や得られるプリプレグは、離型紙とともに搬送することが好ましい。   When the adhesiveness of the resin is high, the substrate-resin laminate or the prepreg obtained is wound around each roller, or the resin adheres to each roller. In order to prevent this, it is preferable to transport the substrate-resin laminate and the prepreg obtained together with the release paper.

図3は、基材−樹脂積層体を製造するとともに、樹脂含浸装置100を用いて該基材−樹脂積層体を構成する樹脂組成物層を繊維強化基材内に含浸する工程を示す説明図である。樹脂含浸装置100の構成は、図1において説明したとおりである。
繊維強化基材30は、搬送ローラー25によって図中矢印A方向に搬送されている。繊維強化基材30の両面には、樹脂フィルム供給ローラー32a及び32bから供給される離型紙付き樹脂フィルムがそれぞれ積層される。これにより、基材−樹脂積層体34が得られる。基材−樹脂積層体34は、超音波ホーン15の下部において超音波振動が加えられる。これにより、基材−樹脂積層体34を構成する樹脂フィルムは溶融状態となる。樹脂フィルムが溶融状態にある基材−樹脂積層体34は、含浸ローラー21の間で挟圧されることによって繊維強化基材内に溶融状態の樹脂フィルムが含浸される。含浸ローラー21から排出された基材−樹脂積層体34は、放冷され、離型紙付きプリプレグ36となる。離型紙付きプリプレグ36の一表面側の離型紙は、離型紙巻き取りローラー38によって巻き取られて回収される。これにより、他表面に離型紙が付いたプリプレグ40が得られ、このプリプレグ40はプリプレグ巻き取りローラー42に巻き取られる。
FIG. 3 is an explanatory view showing a process of manufacturing a base material-resin laminate and impregnating a fiber reinforced base material with a resin composition layer constituting the base material-resin laminate using the resin impregnation apparatus 100. It is. The configuration of the resin impregnation apparatus 100 is as described in FIG.
The fiber reinforced base material 30 is conveyed by the conveyance roller 25 in the direction of arrow A in the figure. On both surfaces of the fiber reinforced substrate 30, resin films with release paper supplied from the resin film supply rollers 32a and 32b are respectively laminated. Thereby, the substrate-resin laminate 34 is obtained. The substrate-resin laminate 34 is subjected to ultrasonic vibration at the lower part of the ultrasonic horn 15. Thereby, the resin film which comprises the base material-resin laminated body 34 will be in a molten state. The substrate-resin laminate 34 in which the resin film is in a molten state is impregnated with the molten resin film in the fiber reinforced substrate by being sandwiched between the impregnation rollers 21. The base material-resin laminate 34 discharged from the impregnation roller 21 is allowed to cool and becomes a prepreg 36 with release paper. The release paper on one surface side of the prepreg 36 with release paper is taken up and collected by the release paper take-up roller 38. As a result, a prepreg 40 with release paper attached to the other surface is obtained, and this prepreg 40 is taken up by the prepreg take-up roller 42.

樹脂含浸装置100は、搬送ローラー25を用いて連続的にプリプレグを製造できるように構成されているが、これに限らず、バッチ式で構成しても良い。図4は、バッチ式の樹脂含浸装置400である。樹脂含浸装置400は、載置板29が超音波ホーン15に対向して配設されている。載置板29上に載せられた基材−樹脂積層体34は、荷重負荷シリンダ17の動作によって超音波ホーン15と載置板29との間で挟圧される。この状態で、超音波ホーン15から超音波振動が付与されて、樹脂組成物の溶融と含浸とが同時に行われる。   The resin impregnation apparatus 100 is configured so that the prepreg can be continuously manufactured using the transport roller 25, but is not limited thereto, and may be configured in a batch type. FIG. 4 shows a batch type resin impregnation apparatus 400. In the resin impregnation apparatus 400, the mounting plate 29 is disposed so as to face the ultrasonic horn 15. The base material-resin laminate 34 placed on the placement plate 29 is pinched between the ultrasonic horn 15 and the placement plate 29 by the operation of the load loading cylinder 17. In this state, ultrasonic vibration is applied from the ultrasonic horn 15 and the resin composition is melted and impregnated simultaneously.

(3)繊維強化基材
繊維強化基材は、強化繊維を各種形状に加工した基材である。繊維強化基材は、シート状の形態であることが好ましい。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ポリエステル繊維、セラミック繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維、鉱物繊維、岩石繊維及びスラッグ繊維が使用できる。これらの強化繊維の中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。比強度及び比弾性率が高く、軽量かつ高強度の複合材料が得られるため、炭素繊維が特に好ましく、引張強度が高いPAN系炭素繊維が最も好ましい。
(3) Fiber reinforced base material A fiber reinforced base material is a base material obtained by processing reinforcing fibers into various shapes. The fiber reinforced base material is preferably in the form of a sheet. As the reinforcing fiber, for example, carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, polyester fiber, ceramic fiber, alumina fiber, boron fiber, metal fiber, mineral fiber, rock fiber and slug fiber can be used. Among these reinforcing fibers, carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers are preferable. Carbon fiber is particularly preferable, and PAN-based carbon fiber having high tensile strength is most preferable because a composite material having high specific strength and high specific modulus, light weight and high strength can be obtained.

炭素繊維としては、引張弾性率が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(400kgf/mm)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、複合材料の機械的性質を特に向上できる。 The carbon fiber preferably has a tensile modulus of 170 to 600 GPa, particularly preferably 220 to 450 GPa. The tensile strength of the carbon fiber is preferably 3920 MPa (400 kgf / mm 2 ) or more. By using such a carbon fiber, the mechanical properties of the composite material can be particularly improved.

シート状の繊維強化基材としては、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えたシートや、平織や綾織などの二方向織物、多軸織物、不織布、マット、ニット、組紐、強化繊維を抄紙した紙などが挙げられる。シート状物の厚さは、0.01〜3mmが好ましく、0.1〜1.5mmがより好ましい。   As a sheet-like fiber reinforced substrate, a sheet made of a large number of reinforcing fibers aligned in one direction, bi-directional woven fabrics such as plain weave and twill weave, multiaxial woven fabrics, non-woven fabrics, mats, knits, braids, and reinforcing fibers Paper. The thickness of the sheet material is preferably 0.01 to 3 mm, more preferably 0.1 to 1.5 mm.

(4)樹脂組成物
本発明に用いる樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及びこれらの混合物が例示される。本発明の製造方法は、プリプレグ内に含浸する樹脂組成物が熱硬化性樹脂を含む場合、特に好適に使用できる。
(4) Resin composition Examples of the resin composition used in the present invention include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a mixture thereof. The production method of the present invention can be particularly preferably used when the resin composition impregnated in the prepreg contains a thermosetting resin.

本発明に用いる熱硬化性樹脂は特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、及びこれらの変性樹脂が例示される。硬化剤としては、これらの樹脂を硬化させる公知の硬化剤を用いることができる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、ジシアンジアミド、芳香族アミン系硬化剤の各種異性体、アミノ安息香酸エステル類が例示される。4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン等の芳香族ジアミン化合物は、耐熱性が高い硬化物を得ることができるため、特に好ましい。   Although the thermosetting resin used for this invention is not specifically limited, An epoxy resin, a polyimide resin, and these modified resin are illustrated. As the curing agent, a known curing agent that cures these resins can be used. When an epoxy resin is used as the thermosetting resin, dicyandiamide, various isomers of an aromatic amine curing agent, and aminobenzoic acid esters are exemplified. Aromatic diamine compounds such as 4,4'-diaminodiphenylsulfone, 3,3'-diaminodiphenylsulfone, and 4,4'-diaminodiphenylmethane are particularly preferable because a cured product having high heat resistance can be obtained.

本発明に用いる熱可塑性樹脂は特に限定されないが、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンナフタレート、ポリアラミド、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾールが例示される。これらの中でも、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドは、靭性及び耐熱性が高いため好ましい。   The thermoplastic resin used in the present invention is not particularly limited, but polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyester, polyamideimide, polyimide, polyether ketone, polyether ether ketone, polyethylene naphthalate, polyaramid, polyether nitrile, poly Benzimidazole is exemplified. Among these, polyamide, polyamideimide, and polyimide are preferable because of high toughness and heat resistance.

これらの樹脂組成物は公知の方法によってシート状に形成されていることが好ましい。シート状の樹脂組成物は公知の方法で作製できる。例えば、ダイコーター、アプリケーター、リバースロールコーター、コンマコーター、ナイフコーターなどを用いて、離型紙や離型シートなどの支持体上に流延、キャストすることにより作製できる。シート化の際の樹脂温度は、その樹脂の組成や粘度に応じて適宜設定される。   These resin compositions are preferably formed into a sheet shape by a known method. The sheet-like resin composition can be produced by a known method. For example, it can be produced by casting and casting on a support such as release paper or release sheet using a die coater, applicator, reverse roll coater, comma coater, knife coater, or the like. The resin temperature during sheeting is appropriately set according to the composition and viscosity of the resin.

〔吸水率〕
プリプレグを100×100mmにカットし、質量(W1)を測定した。その後、デシケーター中でプリプレグを水中に沈めた。デシケーター内を、10kPa以下に減圧し、プリプレグ内部の空気と水を置換させた。プリプレグを水中から取り出し、表面の水を拭き取り、プリプレグの質量(W2)を測定した。これらの測定値から下記式
吸水率(%)=[(W2−W1)/W1]×100
W1:プリプレグの質量(g)
W2:吸水後のプリプレグの質量(g)
を用いて吸水率を算出した。
[Water absorption rate]
The prepreg was cut to 100 × 100 mm, and the mass (W1) was measured. Thereafter, the prepreg was submerged in a desiccator. The inside of the desiccator was decompressed to 10 kPa or less to replace the air and water inside the prepreg. The prepreg was taken out of the water, the surface water was wiped off, and the mass (W2) of the prepreg was measured. From these measured values, the following formula: water absorption (%) = [(W2-W1) / W1] × 100
W1: Mass of prepreg (g)
W2: Mass of prepreg after water absorption (g)
Was used to calculate the water absorption rate.

〔ドレープ性〕
プリプレグを、温度26.7℃、湿度65%に2日間保存した後、繊維方向に30mm、繊維方向に直交する方向に10mmにカットした。カットしたプリプレグを、曲率12.7mmで角度90度に折り曲げた金属板に積層し、10秒後の積層状態でドレープ性を評価した。評価結果は以下の基準(○、×)で表した。
○:金属板に追従する。
×:金属板に追従しない。
[Drapability]
The prepreg was stored at a temperature of 26.7 ° C. and a humidity of 65% for 2 days, and then cut into 30 mm in the fiber direction and 10 mm in the direction perpendicular to the fiber direction. The cut prepreg was laminated on a metal plate bent at an angle of 90 degrees with a curvature of 12.7 mm, and the drapability was evaluated in the laminated state after 10 seconds. The evaluation results were expressed by the following criteria (◯, ×).
○: Follows a metal plate.
X: It does not follow a metal plate.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)
強化繊維束として東邦テナックス(株)製炭素繊維IMS60 24K(フェラメント数24000本、引張強度5,700MPa、引張弾性率285GPa)を80本用い、繊維目付190g/mの繊維強化基材を作成した。樹脂目付40g/mの熱硬化性樹脂フィルムを繊維強化基材の両面に積層して基材−樹脂積層体を作成した。この基材−樹脂積層体の繊維含有率は70質量%である。
この基材−樹脂積層体を図4に記載の樹脂含浸装置を用いて加熱した。この装置は、日本ヒューチャア社製W3080(周波数20kHz、出力2400kW)を使用し、振幅は60μmとした。また、基材−樹脂積層体の寸法は25mm×50mmとし、基材−樹脂積層体にかかる圧力は1.7MPaとした。超音波振動を0.2秒間付与することにより、基材−樹脂積層体は313℃に上昇した。超音波の付与を止めると、基材−樹脂積層体の温度は、1秒で室温まで下がった。基材−樹脂積層体の樹脂フィルムは繊維強化基材内に十分に含浸されていた。得られたプリプレグは、適度なしなやかさを有していた。
Example 1
A fiber reinforced base material having a fiber basis weight of 190 g / m 2 was prepared using 80 carbon fiber IMS60 24K (24,000 fermentaments, tensile strength 5,700 MPa, tensile elastic modulus 285 GPa) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. as the reinforcing fiber bundle. did. A base-resin laminate was prepared by laminating a thermosetting resin film having a resin basis weight of 40 g / m 2 on both surfaces of the fiber reinforced base material. The fiber content of this substrate-resin laminate is 70% by mass.
This substrate-resin laminate was heated using the resin impregnation apparatus shown in FIG. This apparatus used W3080 (frequency 20 kHz, output 2400 kW) manufactured by Nippon Huchaa Co., Ltd., and the amplitude was 60 μm. Moreover, the dimension of the base-resin laminated body was 25 mm x 50 mm, and the pressure concerning a base-resin laminated body was 1.7 MPa. By applying ultrasonic vibration for 0.2 seconds, the substrate-resin laminate was raised to 313 ° C. When the application of ultrasonic waves was stopped, the temperature of the substrate-resin laminate decreased to room temperature in 1 second. The resin film of the substrate-resin laminate was sufficiently impregnated in the fiber reinforced substrate. The obtained prepreg had moderate flexibility.

(実施例2−5)
各条件を表1に記載するとおり変更した他は、実施例1と同様に操作してプリプレグを作成した。
(Example 2-5)
A prepreg was prepared in the same manner as in Example 1 except that each condition was changed as described in Table 1.

(比較例1)
強化繊維束として東邦テナックス(株)製炭素繊維IMS60 24K(フェラメント数24000本、引張強度5,700MPa、引張弾性率285GPa)を80本用い、繊維目付190g/mの繊維強化基材を作成した。樹脂目付40g/mの熱硬化性樹脂フィルムを繊維強化基材の両面に積層して基材−樹脂積層体を作成した。この基材−樹脂積層体の繊維含有率は70質量%である。
この基材−樹脂積層体を加熱プレス機を用いて加熱・加圧した。基材−樹脂積層体にかかる圧力は1.7MPaとした。基材−樹脂積層体の温度が135℃に到達するまでの時間は4.0秒であった。樹脂組成物は繊維強化基材内に部分的に含浸されており、十分な含浸とはいえないものだった。
(Comparative Example 1)
A fiber reinforced base material having a fiber basis weight of 190 g / m 2 was prepared using 80 carbon fiber IMS60 24K (24,000 fermentaments, tensile strength 5,700 MPa, tensile elastic modulus 285 GPa) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. as the reinforcing fiber bundle. did. A base-resin laminate was prepared by laminating a thermosetting resin film having a resin basis weight of 40 g / m 2 on both surfaces of the fiber reinforced base material. The fiber content of this substrate-resin laminate is 70% by mass.
This substrate-resin laminate was heated and pressurized using a heating press. The pressure applied to the base material-resin laminate was 1.7 MPa. The time until the temperature of the base material-resin laminate reached 135 ° C. was 4.0 seconds. The resin composition was partially impregnated in the fiber reinforced base material, and was not sufficiently impregnated.

(比較例2)
比較例1と同様にプリプレグを作製した。基材−樹脂積層体にかかる圧力は1.7MPaとした。基材−樹脂積層体の温度が190℃に到達するまでの時間は4.0秒であった。樹脂組成物は繊維強化基材内に十分に含浸されていたが、プリプレグにしなやかさがなかった。
(Comparative Example 2)
A prepreg was produced in the same manner as in Comparative Example 1. The pressure applied to the base material-resin laminate was 1.7 MPa. The time until the temperature of the substrate-resin laminate reached 190 ° C. was 4.0 seconds. The resin composition was sufficiently impregnated in the fiber reinforced base material, but there was no flexibility in the prepreg.

Figure 2016203397
Figure 2016203397

100、200、400・・・樹脂含浸装置
11・・・超音波発振機
13・・・超音波振動子
15・・・超音波ホーン
17・・・荷重付加用エアシリンダ
21、27・・・含浸ローラー
23・・・熱板
25・・・搬送ローラー
29・・・載置板
30・・・繊維強化基材
32a、32b・・・樹脂フィルム供給ローラー
34・・・基材−樹脂積層体
36・・・離型紙付きプリプレグ
38・・・離型紙巻き取りローラー
40・・・プリプレグ
42・・・プリプレグ巻き取りローラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200, 400 ... Resin impregnation apparatus 11 ... Ultrasonic oscillator 13 ... Ultrasonic vibrator 15 ... Ultrasonic horn 17 ... Air cylinder for load addition 21, 27 ... Impregnation Roller 23 ... Hot plate 25 ... Conveying roller 29 ... Mounting plate 30 ... Fiber reinforced base material 32a, 32b ... Resin film supply roller 34 ... Base material-resin laminate 36. .... Pre-preg with release paper 38 ... Release paper take-up roller 40 ... Pre-preg 42 ... Pre-preg take-up roller

Claims (7)

繊維強化基材の少なくとも一表面に樹脂組成物の層を積層し、前記樹脂組成物の層を加熱及び加圧することにより前記樹脂組成物を溶融して前記繊維強化基材内に含浸するプリプレグの製造方法であって、
前記樹脂組成物の加熱時における昇温速度が100℃/秒以上であることを特徴とするプリプレグ製造方法。
A layer of a resin composition is laminated on at least one surface of a fiber reinforced substrate, and the resin composition layer is heated and pressurized to melt the resin composition and impregnate the fiber reinforced substrate into the fiber reinforced substrate. A manufacturing method comprising:
A method for producing a prepreg, wherein a rate of temperature rise during heating of the resin composition is 100 ° C./second or more.
前記樹脂組成物の加熱温度が、前記樹脂組成物のゲル化温度以上である請求項1に記載のプリプレグ製造方法。   The method for producing a prepreg according to claim 1, wherein the heating temperature of the resin composition is equal to or higher than the gelation temperature of the resin composition. 前記樹脂組成物の加熱時間が、1秒未満である請求項1又は2に記載のプリプレグ製造方法。   The method for producing a prepreg according to claim 1 or 2, wherein the heating time of the resin composition is less than 1 second. 前記樹脂組成物の加熱が、超音波加熱、誘導加熱、レーザー加熱又は過熱水蒸気加熱である請求項1乃至3の何れか1項に記載のプリプレグ製造方法。   The method for producing a prepreg according to any one of claims 1 to 3, wherein the heating of the resin composition is ultrasonic heating, induction heating, laser heating, or superheated steam heating. 前記樹脂組成物の加熱が、超音波加熱である請求項1乃至3の何れか1項に記載のプリプレグ製造方法。   The method for producing a prepreg according to any one of claims 1 to 3, wherein the heating of the resin composition is ultrasonic heating. 前記樹脂組成物が、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物である請求項1乃至5の何れか1項に記載のプリプレグ製造方法。   The prepreg manufacturing method according to claim 1, wherein the resin composition is a resin composition containing a thermosetting resin. 前記繊維強化基材が、炭素繊維を含む繊維強化基材である請求項1乃至6の何れか1項に記載のプリプレグ製造方法。
The prepreg manufacturing method according to claim 1, wherein the fiber reinforced base material is a fiber reinforced base material containing carbon fibers.
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