JP2017095662A

JP2017095662A - プリプレグシート

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Publication number: JP2017095662A
Application number: JP2015232227A
Authority: JP
Inventors: 太田　善久; Yoshihisa Ota; 善久太田; 将也松下; Masaya Matsushita; 健八牟禮; Takeshi HACHIMURE
Original assignee: IBARAKI KOGYO KK; Yuho Co Ltd
Current assignee: IBARAKI KOGYO KK; Yuho Co Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: JP6788340B2

Abstract

【課題】成型時に加熱しても厚みの膨張が抑えられ、金型へのスムーズなインサートを可能にして、所望の成型品を得ることができるプリプレグシートを提供する。【解決手段】炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなる成型体の中間体であるプリプレグシートであって、前記熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃の温度で９０秒加熱した場合の厚さ膨張率が２５０％以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなる成型体の中間体であるプリプレグシートに関する。

炭素繊維は、一般に、アクリル繊維またはピッチ（石油、石炭、コールタール等の副生成物）を原料に高温で炭化して作った繊維であり、ＪＩＳ規格では、有機繊維のプレカーサを加熱炭素化処理して得られ、質量比で９０％以上が炭素で構成される繊維であると定義されるものである。炭素繊維は、他の繊維よりも分散性、繊維同士の絡み合いが弱いことから、不織布を形成する際には炭素繊維を単独の材料として利用することは少なく、合成樹脂等の樹脂繊維と炭素繊維とを組み合わせた複合材料として用いることが行なわれている。

例えば、特許文献１では、炭素繊維２０〜７０重量％とバインダー繊維３０〜８０重量％の比率で混合して不織布を形成し、この不織布を燃焼させバインダー繊維を除去することによって炭素繊維からなる不織布を得る方法が記載されている。

また、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維との絡み合いを向上させて不織布を得る方法として、炭素繊維のステープル状の短繊維と熱可塑性樹脂繊維を混綿させ、シート化させた後、当該シートを積層したものをニードルパンチ等で炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を交絡させる方法が知られている（例えば、特許文献２）。

特開平１０−３１４５１９号公報特開２００８−０８１８７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法によれば、炭素繊維のみからなる不織布が得られるものの、炭素繊維同士の絡み合いが弱いために不織布がほつれやすく、また製造時に折れて短くなった炭素繊維が脱落しやすいという欠点がある。

また、炭素繊維束を開繊し、開繊した炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を混綿させ、シート化させた後、当該シートを積層したものをニードルパンチ等で炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を交絡させる方法で得られた不織布は、該不織布を用いて加熱・加圧成型して成型品を得る際に、繊維交絡している熱可塑性樹脂繊維が溶融し、繊維の交絡がほどける傾向にある。さらに、炭素繊維が元の開繊前の状態に戻ろうとする力が働くため、該不織布を加熱・加圧成型して得られるプリプレグシートは厚み方向に膨張する傾向にある。

また、上記膨張傾向にあるプリプレグシートを用いて、金型で成型品を作製する場合、当該プリプレグシートを金型にインサートすることが困難となり、所望の成型品を製造することができないという状況を引き起こしていた。

本発明は、以上のような従来の課題を考慮してなされたものであり、成型時に加熱しても厚みの膨張が抑えられ、金型へのスムーズなインサートを可能にして、所望の成型品を得ることができるプリプレグシートを提供するものである。

上記課題を解決し得た本発明のプリプレグシートは、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなる成型体の中間体であるプリプレグシートであって、前記熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃の温度で９０秒加熱した場合の厚さ膨張率が２５０％以下である点に特徴を有する。

上記プリプレグシートは、目付重量が１００〜１５００ｇ／ｍ^２、厚みが０．５〜６．０ｍｍであることが好ましい。

上記プリプレグシートにおいて、前記炭素繊維の平均繊維長が１５〜１００ｍｍ、前記熱可塑性樹脂繊維の平均繊維長が２５〜１００ｍｍであることが好ましい。

上記プリプレグシートにおいて、前記熱可塑性樹脂繊維は、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、及びポリエーテルイミドから選択されるものを用いることができる。

上記プリプレグシートにおいて、前記炭素繊維と前記熱可塑性樹脂繊維が、２０／８０〜８０／２０の質量比で混合されたものであることが好ましい。

本発明のプリプレグシートは、プリプレグ形成後の金型成型前に行なう加熱処理（以下、プレ成型処理という）した場合の厚さ膨張率が２５０％以下であることから、従来のプリプレグシートを用いた際に発生する、加熱成型する際に繊維交絡している熱可塑性樹脂繊維が溶融し、繊維の交絡がほどけると共に、炭素繊維が元の交絡前の状態に戻ろうとする力が働き、該シートが厚み方向に膨張するという現象を抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態に係るプリプレグシートの製法、及び該プリプレグシートから成型品を得る製法の一例を示した概略図である。本発明の実施の形態に係るプリプレグシート、及び該プリプレグシートから成型品を得るまでのプロセスの一例を示した図である。本発明の実施の形態に係るプリプレグシートのＳＥＭ断面写真である。（ａ）はプレ成型処理前、（ｂ）はプレ成型処理後を示す。従来のニードルパンチ処理したプリプレグシートのＳＥＭ断面写真である。（ａ）はプレ成型処理前、（ｂ）はプレ成型処理後を示す。

以下、図面を参照しつつ、本発明のプリプレグシートについて詳細に説明する。

本発明者らは、当該プリプレグシートを用いて成型品を得る際に、前処理として行なうプレ成型処理において該シートが膨張する現象について種々検討した結果、該プレ成型処理（具体的には、熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃の温度で９０秒加熱）した場合の該シートの厚さ膨張率が２５０％以下のプリプレグシートを得ることに成功した。これにより、該シートの成型時において厚み方向の膨張が抑えられ、金型へのスムーズなインサートを可能にして、所望の成型品を得ることができる。なお、厚さ膨張率は上記温度範囲全てにおいて２５０％以下を満たす必要はなく、上記温度範囲のいずれかの温度で２５０％以下を満たしていれば良い。

プリプレグとは、一般に、炭素繊維に熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を含浸させた半硬化状態のシート状成型用中間材料のことで、成型品として用いた場合に品質が安定することで知られている。最近では、量産性、成型時間の短縮化、及び設備費用の削減化等の観点から、炭素繊維に熱可塑性樹脂繊維を組み合わせたものが注目されており、軽量化、高性能化を必要とする航空宇宙用途、自動車部品用途、スポーツ用途等に用いられている。

炭素繊維とは、一般に、アクリル繊維またはピッチ（石油、石炭、コールタール等の副生成物）を原料に高温で炭化して作った繊維であり、ＪＩＳ規格では、有機繊維のプレカーサを加熱炭素化処理して得られる、質量比で９０％以上が炭素で構成される繊維であると定義されるものである。アクリル繊維を使った炭素繊維は、ＰＡＮ系（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ピッチを使った炭素繊維は、ピッチ系（ＰＩＴＣＨ）と区分される。

炭素繊維は、前述したとおり、他の繊維よりも分散性、繊維同士の絡み合いが弱いことから、不織布を形成する際には炭素繊維を単独の材料として利用することは少なく、合成樹脂等の樹脂繊維と炭素繊維とを組み合わせた複合材料として用いることが行なわれている。本発明のプリプレグシートに用いる炭素繊維についても、熱可塑性樹脂繊維と組み合わせた複合材料として用いる。

なお、本発明の実施の形態において、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれの炭素繊維でも用いることが可能であるが、熱可塑性樹脂繊維との分散性の観点から、ＰＡＮ系を用いることがより好ましい。

炭素繊維の平均繊維長としては、１５〜１００ｍｍのものを用いることが好ましく、より好ましくは２０〜８０ｍｍ、さらに好ましくは３０〜７０ｍｍである。平均繊維長が１５ｍｍ以上の場合、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなるプリプレグシートを成型した際の力学的強度が維持されやすい。また、平均繊維長が１００ｍｍ以下の場合、該不織布における炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の分散性が良くなり、均一な不織布を形成しやすくなる。

樹脂繊維として用いる熱可塑性樹脂は、常温では弾性を持ち、変形しにくく、加熱により軟化して所望の形に成型加工できる合成樹脂であれば、特に限定されるものではない。具体的には、生産性、材料コスト等を考慮して、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、及びポリエーテルイミドから選択されるものが好ましい。また、平均繊維長が２５〜１００ｍｍのものを用いることが好ましく、より好ましくは３０〜８０ｍｍ、さらに好ましくは４０〜７０ｍｍのものを用いることが良い。平均繊維長が２５ｍｍ以上の場合、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなるプリプレグシートを成型した際の力学的強度が向上する。また、平均繊維長が１００ｍｍ以下の場合、該不織布における炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の分散性が良くなり、均一な不織布を形成しやすくなる。さらに、繊度について、２．２〜２２ｄｔｅｘのものを用いることが好ましく、より好ましくは２．２〜２０ｄｔｅｘ、さらに好ましくは２．２〜１５ｄｔｅｘのものを用いることが良い。繊度が２．２ｄｔｅｘ以上の場合、または、２２ｄｔｅｘ以下の場合、該不織布における炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の分散性が良くなり、均一な不織布を形成しやすくなる。

炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の質量比については、２０／８０〜８０／２０の範囲であることが好ましい。炭素繊維が８０質量％以下の場合、または、炭素繊維が２０質量％以上の場合、不織布形成後の加熱・加圧処理における熱可塑性樹脂繊維の溶融が十分となり、プリプレグシートの形状を保持しやすくなる。

なお、本発明の実施の形態において、プリプレグシートの目付重量、及び厚みは、自動車部品用途等の成型品加工をスムーズに行なうことを考慮して、それぞれ、１００〜１５００ｇ／ｍ^２、０．５〜６．０ｍｍが好ましく、より好ましくは２５０〜１２００ｇ／ｍ^２、１．０〜５．０ｍｍ、さらに好ましくは５００〜１０００ｇ／ｍ^２、２．０〜４．５ｍｍを用いることが良い。

次に、本発明のプリプレグシートの製造方法、及び該プリプレグシートから成型品を得る方法について、その一例を図１、及び図２に基づいて以下説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプリプレグシートの製法、及び該プリプレグシートから成型品を得る製法の一例を示した概略図である。図２は、炭素繊維束の開繊に始まり、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の混綿からシート化、積層化して不織布を得て、該不織布からプリプレグシート、及び該プリプレグシートから成型品を得るまでのプロセスの一例を示したチャート図である。

本発明のプリプレグシート１は、炭素繊維束２を開繊した炭素繊維３と熱可塑性樹脂繊維４を所望の質量比（例えば、炭素繊維４０質量％、熱可塑性樹脂繊維６０質量％）にて混綿してシート状にし、さらに積層して不織布５を得た後、該不織布５を加熱・加圧処理（例えば、熱可塑性樹脂繊維としてポリプロピレンを素材とするものを用いた場合、２４０℃、９０秒、１ＭＰａ）することで得られる。得られたプリプレグシート１の目付重量、厚みは所望の値（例えば、目付重量２５０ｇ／ｍ^２、厚み０．５〜６．０ｍｍ）に調整される。プリプレグシート１は、後工程の金型成型でのスムーズなインサートを行なうことを考慮して、プレ成型処理（例えば、熱可塑性樹脂繊維としてポリプロピレンを素材とするものを用いた場合、２４０℃、９０秒）が施される。

なお、炭素繊維束２を開繊した炭素繊維３と熱可塑性樹脂繊維４を混綿後、シート状にして積層する方法については、公知の方法を用いることができる。例えば、混綿は、市販のブレンダー機を用いることができ、また、シート化・積層化については、ガーディング方式を用いることができ、市販のカード機を用いることができる。

また、得られた不織布５を加熱・加圧処理する方法としては、特段制限されるものではなく、公知の方法を用いることができる。例えば、操作性、汎用性の観点から、赤外線加熱炉６内においてベルトプレス７を行なう方法を用いることが好ましいが、他の方法として、市販のヒートスルーやオーブンでの装置による加熱も可能である。加熱温度は、熱可塑性樹脂繊維の融点を考慮して該熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃が好ましく、より好ましくは該熱可塑性樹脂繊維の融点＋２０℃〜該融点＋１００℃、さらに好ましくは該熱可塑性樹脂繊維の融点＋４０℃〜該融点＋１００℃が良い。加熱時間は、３０〜３００秒が好ましく、より好ましくは６０〜２４０秒、さらに好ましくは、６０〜１８０秒が良い。また、加圧力は、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の均質性や処理後の強度を考慮して、０．１〜１０ＭＰａが好ましく、より好ましくは０．５〜１０ＭＰａ、さらに好ましくは１〜１０ＭＰａが良い。

プリプレグシート１の金型成型前に行なうプレ成型処理は、赤外線加熱炉６内において、所定の加熱温度、加熱時間により行なう。具体的には、熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃が好ましく、より好ましくは該熱可塑性樹脂繊維の融点＋２０℃〜該融点＋１００℃、さらに好ましくは該熱可塑性樹脂繊維の融点＋４０℃〜該融点＋１００℃が良い。また、加熱時間は９０秒が好ましい。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（不織布の製造）
炭素繊維束を開繊した平均繊維長５０ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維（東レ製）４０質量％と、平均繊維長５１ｍｍ、融点１６８℃のポリプロピレン（ダイワボウ製）６０質量％を市販のブレンダーで混綿した後、市販のカード機によりカーディングすることにより、シート化、及び積層化して不織布を作製した。なお、サンプル個数は６個とした。

（加熱・加圧処理）
上記で得られた不織布を市販のベルトプレス機に送り、市販の赤外線加熱炉にて処理することによりプリプレグシートを得た。得られたプリプレグシートを本発明品とした。該プリプレグシートの目付重量は２５０ｇ／ｍ^２、厚みは１．３ｍｍであった。なお、加熱温度は２４０℃、加熱時間は９０秒、加圧力は１ＭＰａである。

上記不織布の製造において、シート、積層化したものを市販のニードルパンチにて繊維交絡を施すこと以外は、本発明品と同様の方法で得られたプリプレグシートを比較品とした。なお、サンプル個数は６個とした。

（プレ成型処理）
上記の方法で得られたプリプレグシートを市販の赤外線加熱炉にて処理することにより行なった。なお、加熱温度は２４０℃（ポリプロピレンの融点＋７２℃）、加熱時間は９０秒である。

（プレ成型処理前後における断面観察）
上記の方法で得られたプリプレグシートのプレ成型処理前後における断面をＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察し、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維との繊維交絡の状態を調べた。図３に本発明品のプリプレグシート、図４に比較品のプリプレグシートを示す。（ａ）はプレ成型処理前、（ｂ）はプレ成型処理後を示す。

図３より、本発明品のプリプレグシートの断面は、プレ成型処理前後に関わらず、厚み方向への繊維交絡が存在しないことがわかる。一方、図４より、比較品のプリプレグシートの断面は、プレ成型処理前に施したニードルパンチにより、厚み方向への繊維交絡が存在し、プレ成型処理後においても、繊維交絡の状態が維持されていることがわかる。

（プレ成型前処理前後における見かけ厚み変化率の測定）
本発明品、及び比較品について、プレ成型処理前後の見かけ厚みを市販の厚みゲージにより測定し、見かけ厚み変化率（厚さ膨張率）を求めた。表１にその結果を示す。

表１より、本発明品のプリプレグシートは、プレ成型処理後における見かけ厚み変化率が平均で２００％程度であり、比較品と比べて小さな膨張に抑えられていることがわかる。一方、比較品のプリプレグシートの断面は、プレ成型処理後における見かけ厚み変化率が平均で４８０％程度であり、プレ成型処理後の膨張を抑えることができていないことがわかる。

以上の結果より、本発明品のプリプレグシートは、成型時に加熱しても厚み方向への膨張が抑えられることから、該プリプレグシートの金型へのスムーズなインサートを可能にして、自動車用途等の所望の成型品を得ることができる。

１プリプレグシート
２炭素繊維束
３炭素繊維
４熱可塑性樹脂繊維
５不織布
６赤外線加熱炉
７ベルトプレス

Claims

炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む不織布からなる成型体の中間体であるプリプレグシートであって、
前記熱可塑性樹脂繊維の融点〜該融点＋１００℃の温度で９０秒加熱した場合の厚さ膨張率が２５０％以下であることを特徴とするプリプレグシート。
目付重量が１００〜１５００ｇ／ｍ^２、厚みが０．５〜６．０ｍｍである請求項１に記載のプリプレグシート。
前記炭素繊維の平均繊維長が１５〜１００ｍｍ、前記熱可塑性樹脂繊維の平均繊維長が２５〜１００ｍｍである請求項１または２に記載のプリプレグシート。
前記熱可塑性樹脂繊維は、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、及びポリエーテルイミドから選択される請求項１〜３のいずれかに記載のプリプレグシート。
前記炭素繊維と前記熱可塑性樹脂繊維が、２０／８０〜８０／２０の質量比で混合されたものである、請求項１〜４のいずれかに記載のプリプレグシート。