JP2017082210A - クロスプライ積層体および繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
各プリプレグは強化繊維を横切る複数の切込を有する実質的に全ての強化繊維が繊維長さ(L)10〜300mmである切込プリプレグであり、25℃環境下にて以下に示す引張特性1を満たすか、又は、60℃環境下にて以下に示す引張特性2を満たすクロスプライ積層体。
(引張特性1)クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ1%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重1として、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重2とすると、荷重1×0.5<荷重2<荷重1×1.5である。
(引張特性2)クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ1%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重1として、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重2とすると、荷重1×0.5<荷重2<荷重1×1.5である。
通常強化繊維の繊維方向は剛性が高く伸張させることが困難であるが、切込によって強化繊維を分断することで、プリプレグの繊維方向への伸張も可能とし、プリプレグを積層したクロスプライ積層体とすることで、各層のプリプレグに非繊維方向への荷重が加えられた場合にプリプレグが割けることを抑制する。繊維方向が実質的に直角に交わるように積層されたプリプレグが互いに拘束し合う構成は、縦糸と横糸が互いに拘束し合い、強化繊維の配向していない±45°方向に伸張可能であるため賦形性に優れる織物を模擬した構成となっており、織物と同等の賦形性が期待できるため、クロスプライに積層(繊維方向が実質的に直角に交わるように積層)することが好ましい。同じ大きさの正方形に切り出したプリプレグを90°回転させて積層するだけでよいため、積層が簡便である。なお繊維方向が実質的に直角とは、繊維方向が90°±10°の範囲内であることを指す。
“トレカ”(商標登録)プリプレグシートP3052S−15(強化繊維:T700S、熱硬化性樹脂:2500、強化繊維の体積含有率:56%、片面離型紙を積層)に切込を挿入し、300mm×300mmに切り出し、離型紙の積層されていない面を繊維方向が直角になるように貼りあわせた。切込はシリンダーに刃を配置したローラーカッターにより、プリプレグの全体にわたって挿入した。貼りあわせたクロスプライ積層体を、30分間真空引きし、2枚のプリプレグの密着を高め、クロスプライ積層体を得た。
クロスプライ積層体から、クロスプライ積層体の1枚のプリプレグの繊維方向が長手方向(この繊維方向を0°とする)となるように、50mm×250mmのプリプレグ引張試験片を切り出した。25℃環境下にてプリプレグ引張試験片の両端を50mmずつ掴み、スパン間150mmとして引張試験機を用いてプリプレグ引張試験片に引張荷重を加えた。引張ひずみはプリプレグ引張試験片の0°側表面中央に50mm離してマーキングした2つの点の距離を、プリプレグ引張試験片の0°側と対面させた非接触ひずみ計を用いて追うことで測定した。0°方向の引張ひずみが1%時の荷重を荷重1、引張ひずみが2%時の荷重を荷重2として記録した。
図7に示す型に25℃環境下にてクロスプライ積層体を沿わせた。型の底面各辺とクロスプライ積層体の繊維方向を合わせ、一つの角にクロスプライ積層体を押し付け、クロスプライ積層体の45°方向に伸張させる際に、側面に生じるシワを伸張させながら、該角に沿うように賦形した。残りの3つの角に対しても同様に沿わせ、クロスプライ積層体を型に沿う箱型に賦形したプリフォームとした。表1では賦形に要した労力を以下の3段階にわけた。
A:クロスプライ積層体がどの方向にも伸張させやすく、シワなく箱型に賦形できた。
B:クロスプライ積層体が一部のびにくい箇所があったものの、シワなく箱型に賦形できた。
C:クロスプライ積層体が伸びにくく、箱型に賦形した際にシワが残った。
金型の平滑さに表面品位が影響される転写面でない面の品位を確認するために、前記図7の型にクロスプライ積層体を押し当てて作製したプリフォームを、型に押し当てたまま、0.1℃/分で130℃まで昇温させ固化させ、繊維強化プラスチックを製造した。表1では得られた繊維強化プラスチックの表面品位を以下の5段階に分けた。
A:切込の存在がほとんど認識できずシワが発生していないもの
B:切込の開口は少ないものの切込の存在が認識され、シワが発生していないもの
C:切込が開口しているがシワが発生していないもの
D:シワが発生しているもの
<繊維強化プラスチックの力学特性>
繊維強化プラスチックの力学特性としては、ハンドレイアップ後の試験片から安定して力学特性を得られる試験片を切り出すことが困難であった。そこで、350mm×350mmの型を用いて300mm×300mmのクロスプライ積層体にプレス機により3MPaの面圧を加えて伸張させ、350mm×350mmの繊維強化プラスチックのプレス成形品を得た。プレス成形時の温度は130℃で、温度と面圧を保持したまま90分後に加圧・加熱を停止し、室温に放置して冷却した後に脱型した。
切込プリプレグの切込パターンを、図6(a)に示す、分断された強化繊維の長さLは24mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWsは1mm、強化繊維と切込のなす角度θが25°であった。 切込によって分断された強化繊維束は、隣接する強化繊維束に対して、強化繊維長さLの1/4ずれて配置されていた。
切込プリプレグの切込パターンを、図6(b)に示す、切込パターンとし、クロスプライ積層体を作製した。任意の切込と、当該切込に最近接する別の切込とは、同一の強化繊維を分断していなかった。切込は実質的に同一の長さY=1mmであり、近接する切込同士の最短距離は1.5mmでYの1.5倍であった。分断された強化繊維の長さは20mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWsは0.34mmであった。強化繊維の配向方向と切込とがなす角は20°であった。切込によって分断された強化繊維束は、隣接する強化繊維束に対して、強化繊維長さLの2/5ずれて配置されていた。複数の切込が断続的な直線を形成し、断続的な直線を形成する複数の切込について、近接する切込間距離はYの22倍であった。図8のように六方細密配置された小領域を抽出し切込の分布を測定したところ、母集団の平均値は12.4、変動係数は10.9%であった。
切込プリプレグの切込パターンを、図6(c)に示す、切込パターンとし、クロスプライ積層体を作製した。切込は実質的に同一の長さY=1mmであり、近接する切込同士の最短距離は1.4mmでYの1.4倍であった。分断された強化繊維の長さは12mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWsは0.64mmであった。強化繊維の配向方向と切込とがなす角θの絶対値は40°でありθが正である正切込とθが負である負切込を略同数含んでいた。正切込・負切込がともに複数の切込が断続的な直線を形成し、断続的な直線を形成する複数の切込について、近接する切込間距離は正切込ではYの7倍、負切込ではYの13倍であった。図8のように六方細密配置された小領域を抽出し切込の分布を測定したところ、母集団の平均値は10.9、変動係数は10.4%であった。
切込プリプレグの切込パターンを、図6(d)に示す、切込パターンとし、クロスプライ積層体を作製した。任意の切込と、当該切込に最近接する別の切込とは、同一の強化繊維を分断していなかった。切込は実質的に同一の長さY=1mmであり、最近接する切込同士の距離は1.5mmでYの1.5倍であった。分断された強化繊維の長さは20mm、切込を強化繊維の配向方向に直角な平面に投影した投影長さWsは0.34mmであった。強化繊維の配向方向と切込とがなす角θの絶対値は20°でありθが正である正切込とθが負である負切込を略同数含んでいた。正切込・負切込がともに複数の切込が断続的な直線を形成し、断続的な直線を形成する複数の切込について、近接する切込間距離は正切込ではYの3.4倍、負切込ではYの24.3倍であった。さらに、プリプレグに挿入された任意の切込Aと近接する切込のうち、θの正負が同一である切込Bよりも最短距離が近いθの正負が異なる切込Cが4つ存在していた。図8のように六方細密配置された小領域を抽出し切込の分布を測定したところ、母集団の平均値は11.3、変動係数は7.9%であった。
実施例4と同じ切込プリプレグを用いて、クロスプライ積層体の積層構成を[0/90/90/0]とした。クロスプライ積層体の引張特性としては、荷重1が3340N、荷重2が4320Nと、荷重1×0.5<荷重2<荷重1×1.5を満たしていたが、室温での賦形は困難であった。ドライヤーを用いて加熱したところ、形状追従性が良好となり、シワなく型に沿わせることができた。クロスプライ積層体の引張特性を60℃環境下で測定したところ、荷重1が52N、荷重2が45Nであった。
実施例4と同じ切込プリプレグを用いて、1000m×1000mのクロスプライ積層体を作製した。元々切込プリプレグは500mm幅であったが、強化繊維の配向方向が長手方向となるように1000mm×500mmの切込プリプレグを切り出し、2枚ずつ貼り合わせて2枚の1000mm×1000mmの切込プリプレグとし、さらに強化繊維の配向方向が直交するように積層し、1000mm×1000mmのクロスプライ積層体とした。積層後、真空引きにより、積層した層間の密着を強めた。1つの層が2枚の切込プリプレグで構成されているにもかかわらず、もう1つの層によって支えられ、取り扱い性は良好であった。
クロスプライ積層体を型に完全に沿わせず、図9(c)のように一部型から浮いた状態に賦形する以外は実施例6と同様にプリフォームを得た。賦形時間は5分と、実施例6よりも速かった。プリフォームを両面型で挟み、130℃、90分で硬化させて繊維強化プラスチックを得た。得られた繊維強化プラスチックはプリフォームの時点では型から浮いていた箇所も凹凸に追従しており、切込開口がほとんど見えず、良好な表面品位であった。
切込の入っていないプリプレグを2枚、繊維方向が直角になるように積層したプリプレグ積層体を作製した。
プリプレグへの切込パターンを、図6(e)に示す、切込パターンとし、クロスプライ積層体を作製した。強化繊維を直角に横切る方向へ複数の切込が設けられており、切込を強化繊維の直角方向に投影した投影長さWsが切込の長さYと等しく1mmであり、繊維長さLが24mmの強化繊維に分断されている。図8のように六方細密配置された小領域を抽出し切込の分布を測定したところ、母集団の平均値は3.7、変動係数は38.3%であった。
強化繊維の強化形態が織り構造である織物プリプレグF6343B−05(強化繊維:T300B−3000、樹脂:2500)を用いてハンドレイアップによる形状追従性を測定した。ハンドレイアップによる形状追従性は良好であり、シワなく箱型に賦形できた。
クロスプライ積層体ではなく、積層されていない切込プリプレグを用いて図9の型へ賦形した。切込プリプレグの幅は1000mm×500mmなので、2枚の切込プリプレグを独立して賦形しようとしたが、賦形する前に切込プリプレグにシワが入り、そのシワを消すことができず、賦形を断念した。
2:切込
3:クロスプライ積層体の0°方向
4:クロスプライ積層体の90°方向
5:クロスプライ積層体の45°方向
6:プリプレグの繊維方向
7:プリプレグの強化繊維に対して直角方向
8:直径10mmの小領域
9:複数の切込によって形成された断続的な直線
10:断続的な斜め切込(繊維方向に対して正の角度)
11:断続的な斜め切込(繊維方向に対して負の角度)
12:プリフォーム
Claims (14)
- 一方向に配向した強化繊維と樹脂を含む強化繊維の体積含有率Vfが45〜65%である複数枚のプリプレグよりなり、繊維方向が実質的に直角に交わるプリプレグを含むように構成されたクロスプライ積層体であって、
各プリプレグは強化繊維を横切る複数の切込を有する実質的に全ての強化繊維が繊維長さ(L)10〜300mmである切込プリプレグであり、25℃環境下にて以下に示す引張特性1を満たすか、又は、60℃環境下にて以下に示す引張特性2を満たすクロスプライ積層体。
(引張特性1)クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ1%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重1として、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重2とすると、荷重1×0.5<荷重2<荷重1×1.5である。
(引張特性2)クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ1%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重1として、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときにクロスプライ積層体の0°方向に発生する荷重を荷重2とすると、荷重1×0.5<荷重2<荷重1×1.5である。 - 25℃環境下において、クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときに、クロスプライ積層体の面積に占める切込開口部の合計の面積(切込開口部の面積率)が、0%以上1%以下であるか、
60℃環境下において、クロスプライ積層体中のいずれかのプリプレグの繊維方向を0°とした場合に、クロスプライ積層体に対して0°方向へ2%の引張ひずみを加えたときに、クロスプライ積層体の面積に占める切込開口部の合計の面積(切込開口部の面積率)が、0%以上1%以下である、請求項1に記載のクロスプライ積層体。 - 前記プリプレグ内から任意に選択される、10個の直径10mmの円形の小領域内に含まれる切込の個数を母集団とした場合に、母集団の平均値が10以上、かつ変動係数が20%以内である、請求項1または2に記載のクロスプライ積層体。
- 前記プリプレグ中の複数の切込が、断続的な直線を形成し、
該断続的な直線を形成する複数の切込が、実質的に同一の長さYであり、
該断続的な直線を形成する複数の切込について、近接する切込間距離がYの3倍より大きい、請求項1〜3のいずれかに記載のクロスプライ積層体。 - 前記プリプレグ中の切込を、そのプリプレグ中の強化繊維の直角方向に投影した場合の投影長さWsが、30μm〜1.5mmである、請求項1〜4のいずれかに記載のクロスプライ積層体。
- 前記プリプレグ中の切込と強化繊維とのなす角をθとしたとき、θの絶対値が2〜25°である、請求項1〜5のいずれかに記載のクロスプライ積層体。
- 前記プリプレグ中の複数の切込が、断続的な直線を形成し、
該切込と強化繊維とのなす角をθとしたとき、θの絶対値が実質的に同一であり、
θが正となる切込の数とθが負となる切込の数が略同数である、請求項1〜6のいずれかに記載のクロスプライ積層体。 - 前記プリプレグが、プリプレグに挿入された任意の切込Aと近接する切込のうち、θの正負が同一である切込Bよりも最短距離が近いθの正負が異なる切込Cが4つ以上存在する、請求項7に記載のクロスプライ積層体。
- 前記プリプレグ中の複数の切込が、直線かつ実質的に同一の長さYであり、
近接する切込同士の最短距離が、切込の長さYよりも長い、請求項1〜8のいずれかに記載のクロスプライ積層体。 - 前記樹脂が熱硬化性樹脂である請求項1〜9のいずれかに記載のクロスプライ積層体。
- 面積が0.5m2以上の請求項1〜10のいずれかに記載のクロスプライ積層体。
- 請求項1〜11のいずれかに記載のクロスプライ積層体を、型に押し付けてプリフォームとし、続いて該プリフォームを固化することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
- クロスプライ積層体を型に押し付ける際にクロスプライ積層体を加熱する工程を含む、請求項12に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 型に押し付ける方法が手作業である、請求項12または13に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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