JP2018066074A

JP2018066074A - 一方向性強化繊維シート

Info

Publication number: JP2018066074A
Application number: JP2016203952A
Authority: JP
Inventors: 英寿笠川; Eiju Kasagawa; 深町　忠則; Tadanori Fukamachi; 忠則深町; 芳信土屋; Yoshinobu Tsuchiya
Original assignee: Shindo Co Ltd
Current assignee: Shindo Co Ltd
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2036-10-17
Also published as: JP6762503B2

Abstract

【課題】複合強化繊維基材として繊維配向が乱れず、ハンドリング性ならびに樹脂含浸性に優れた強化繊維シートを提供し、高い機械的特性と表面品位を発揮する繊維強化プラスチックを得ること。【解決手段】複数本の強化繊維が一方向に並行し、目付が１０〜５０ｇ／ｍ２の薄いシートの二枚が同方向に重なり、該二枚の薄いシート間に熱可塑樹脂が点状、または線状に配置されて一体化されていることで完成させた。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチックの成形や、木質材料等を補強するときに用いる強化繊維シートに関するものである。

炭素繊維をはじめとする高強度、高弾性率の強化繊維からなる繊維強化プラスチックは軽量、かつ機械的特性が優れることからスポーツ用具や航空機の構造材料に多用されている。

繊維強化プラスチックの成形に用いる補強シートとして、補強繊維を織物や接着剤などでシート状に一体化させたドライプリフォーム等があり、大型成形品から複雑形状の成形品、あるいはコンクリートや建築材料など補修、または補強など様々な用途に使われている。

ドライプリフォームのなかでも、強化繊維を一方向に揃えてシート状にした一方向性シートは強化繊維の有する高強度、高弾性率が最大限発揮されることから多用され、例えば、特許文献１では繊維糸条を一方向に引き揃えてなるシート状物の片面に熱融着性不織布を貼りあわせて一体化した一方向性のシートが提案されている。

特許文献１で提案されている基材であれば、強化繊維が一方向に配列された状態で一体化されているので高い強度特性が期待されるが、積層した際には層間、あるいは表面に不織布が存在することから層間強度の低下や表面品位悪化などが懸念され、使用範囲が限られる問題がある。また、強化繊維が一方向に揃えられることで強化繊維が最密充填状態となり、樹脂の含浸性が低下するために樹脂含浸に時間を要する問題点もある。

また、一方向性強化繊維シートの一体化技術として、特許文献２では、複数の強化繊維が一方向に並行に配列された強化繊維シート状物の表裏に細い補助繊維を強化繊維に対して直角方向に配列固定して一体化した一方向性シートが提案されており、表裏には補助繊維が線状で存在していることから、層間強度への影響は殆どないが、成形品の表面に補助繊維が盛り上がることから、表面平滑性が要求される成形品では表面研磨作業が必要となってくるし、また樹脂含浸に関しては特許文献１と同様の問題点を抱えている。

一方向性の強化繊維シートにおいて、樹脂含浸性を改善させる技術として、例えば特許文献３においては、低融点繊維のカバーリング糸条でカバーリングした複数本の強化繊維束を長手方向に並列し、加熱圧着することによってカバーリング糸条が隣り合った繊維ストランド束同士を融着させることで一体化した強化繊維シートが提案されており、各強化繊維束が集束されているので、強化繊維束間が樹脂パスとなって流れるが、強化繊維束はカバーリング糸で強固に集束されているので繊維束内への含浸に時間を要する欠点があり、また成形品表面にカバーリング糸の溶融物が残存する問題点もある。

特開２０００−１９８１５８号公報特開２０１０−１５６０８１号公報特開２０１４−０４６６１８号公報

本発明の目的は、複合強化繊維基材として繊維配向が乱れず、ハンドリング性ならびに樹脂含浸性に優れた強化繊維シートを提供し、高い機械的特性と表面品位を発揮する繊維強化プラスチックを得ることにある。

本発明者が上記技術的課題を解決するために採用した手段を、添付図面を参照して説明すれば、次のとおりである。

即ち、本発明の一方向性強化繊維シートは、複数本の強化繊維が一方向に並行し、目付が１０〜５０ｇ／ｍ^２の薄いシートの二枚が同方向に重なり、該二枚の薄いシート間に熱可塑樹脂が点状、または線状に配置されて一体化されていることで完成させた。

また、本発明の一方向性強化繊維シートは、１本、または複数本の線状の前記熱可塑樹脂がジグザグ状で長さ方向に配置されている技術的手段を採用することが出来る。

また、本発明の一方向性強化繊維シートは、前記二枚の薄いシート間に、１本、または複数本の補助糸がジグザグ状で長さ方向に配列されている技術的手段を採用することが出来る。

更にまた、前記線状に配置された熱可塑樹脂が、補助糸周りに付着した熱可塑樹脂からなる技術的手段を採用することが出来る。

更にまた、熱可塑樹脂は、融点が１８０℃以下の低融点ポリマーからなる繊維糸が熱溶融された技術的手段を採用することが出来る。

更にまた、線状配置された熱可塑樹脂の長さ当たりの重量が５〜２５ｇ／１０００ｍの範囲である技術的手段を採用することが出来る。

更にまた、前記強化繊維が炭素繊維である技術的手段を採用することが出来る。

本発明の一方向性強化繊維シートは、複数本の強化繊維が一方向に並行した目付が１０〜５０ｇ／ｍ^２の二枚の薄いシートが同方向に重なり、該二枚の薄いシート間に熱可塑樹脂が点状、または線状に配置され一体化されたものであるから、一方向性強化繊維シート材の表面の繊維まで接着することが可能で、さらに各強化繊維間および二つの薄いシート間に樹脂通過路が存在することによって樹脂含浸性が優れ、成形時間の短縮とボイドレスの成形品を可能にする。

また、一体化のための熱可塑樹脂、あるいは補助糸は二枚のシート間に配置させることにより、基材表面の擦過や加熱を受けても熱可塑樹脂や補助糸が外れるようなこともなく、また、熱可塑樹脂や補助糸が表面に存在しないので成形品において表面が綺麗で平滑に仕上げることが出来る。

また、強化繊維シート同士の積層や、木材等との積層においても積層面に補助糸が存在しないので強化繊維が真直な状態で被補強表面に接し、高い補強効果が発揮される。

また、熱可塑樹脂量の最適化により、接着による十分な一体化と一方向性強化繊維シート表面への熱可塑樹脂の突出抑制の両効果を発揮させることが出来る。

本発明の第１実施形態の一方向性強化繊維シートの斜視図である。本発明の第２実施形態の一方向性強化繊維シートの斜視図である。本発明の第３実施形態の一方向性強化繊維シートの斜視図である。

本発明を実施するための形態を、具体的に図示した図面に基づいて、更に詳細に説明すると、次のとおりである。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１に基づいて説明する。符号１は本発明の一方向性強化繊維シートで、複数本の強化繊維が一方向に並行した表側のシート２、および裏側のシート３が同方向に重なり、該二枚のシート２・３の間に複数本の熱可塑樹脂４の線状が長さ方向にジグザグ状で配置されたものであり、線状の熱可塑樹脂４が幅方向へ連続して存在するからシート２・３の隣接する強化繊維同士、およびシート２とシート３間を接着し、確実な一体化が可能となる。

熱可塑樹脂４をジグザグ状の線状で配置する方法は、例えば一対の加熱ローラのニップ部に二枚のシート２・３を別角度から供給し、そのニップ部手前から低融点ポリマーから成る繊維糸条を幅方向への振りを繰り返しながら供給し、加熱ローラで熱の圧着させることで熱可塑樹脂４を二枚の薄いシート２・３間にジグザグ状に配置させることが出来る。

図１では熱可塑樹脂４が複数本の線状で配置した例を示しているが、一本の線状で全幅に亘ってジグザグ状に配置させても構わない。しかし、多数本で幅方向の振り幅を小さくする方が生産速度を高めることができる点で、製造コストが安価となることから好ましい。

本発明の一方向性強化繊維シート１に用いる強化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維など高強度、高弾性率繊維が挙げられ、なかでも、引っ張り強度が４ＧＰａ以上、引っ張り弾性率が２００ＧＰａ以上の炭素繊維であれば高い比強度、比弾性率を発揮することから好適であり、炭素繊維の糸繊度としては、比較的に製造コストの安価な５００Ｄｔｅｘ以上の太繊度糸が好ましい。また、太繊度糸の炭素繊維糸を開繊拡幅工程により薄くシート状に拡げることで炭素繊維間に隙間が生じ、樹脂含浸させる際の樹脂通路となって樹脂含浸し易いシートとなる。

本発明の一方向性強化シート１の表側のシート２、および裏側のシート３の強化繊維の目付としては１０〜５０ｇ／ｍ^２と非常に薄く開繊されたシートであって、シート２、または３の目付が１０ｇ／ｍ^２未満と低目付になると含浸性は問題ないが、強化繊維量が少ないために補強効果が不足することから１０ｇ／ｍ^２以上であることが好ましく、一方、目付が５０ｇ／ｍ^２を超えると樹脂含浸性が低下するため何らかの強制的な含浸作業が必要となることから強化繊維の目付は５０ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。

また、本発明の一方向性強化繊維シート１は、二枚のシート２・３が重ねられ、二枚のシート２・３間に熱可塑樹脂４が存在するので、二枚のシート２・３間に樹脂通路となる隙間が出来ることから、二枚重なって目付が倍増しても含浸性が低下することがない。

また、本発明の一方向性強化繊維シート１に用いる熱可塑樹脂４としては、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタンなどの熱可塑ポリマーを使用することができる。なかでも、成形樹脂との接着性の観点からは共重合ナイロンが好ましい。また、熱可塑樹脂の融点としては１８０℃以下の低融点が好ましく、その様な低融点の熱可塑樹脂を用いることで熱接着工程が高速化でき、製造コストが安価となる。

熱可塑樹脂４が線状に配置されたケースにおいて、線状の熱可塑樹脂４の長さ当たりの重量を５〜２５ｇ／１０００ｍの範囲であることが好ましく、熱可塑樹脂４の長さ当たりの重量５／１０００ｍ未満であると二枚の薄いシート２・３を一体化する接着力が弱くて取扱い難いシート材となり、一方、重量が２５ｇ／１０００ｍ以上を超えると熱可塑樹脂４の溶融時に一方向性強化繊維シート１の表面にまで熱可塑樹脂４が染み出し、シート材の外観悪化や、製造過程における加熱ローラ汚れなどの悪影響から線状の熱可塑樹脂４の長さ当たりの重量を５〜２５ｇ／１０００ｍの範囲が好適である。

＜第２実施形態＞
図２は本発明の第２実施形態の一方向性強化繊維シート１を示し、熱可塑樹脂が二枚の薄いシート２・３の間に点状に配置し、二枚の薄いシート２・３が接着して一体化されており、第１実施形態と同様に、二枚のシート２・３間に樹脂通路となる隙間が出来るので二枚重なって目付が倍増しても含浸性が低下するようなことがない。

二枚のシート２・３間に点状に配置させる方法としては、例えば二枚のシート２・３のどちらかの面に熱可塑樹脂のパウダーを散布し、その上にもう一枚のシートを重ね、熱可塑樹脂４の融点以上の温度で熱圧着させることで一体化することが出来る。熱可塑樹脂４を点状に配置させるパウダーの使用量としては、平均粒径で５〜２０μｍ程度のパウダー強化繊維重量に対して１〜４％程度であれば熱溶融時に一方向強化繊維シート１の表面に染み出すようなことが無く、また十分な接着効果も得られる。

＜第３実施形態＞
図３は本発明の第３実施形態の一方向性強化繊維シート１を示し、二枚の薄いシート間に、１本、または複数本の補助糸５をジグザグ状で長さ方向に配列したものである。補助糸５を介在させることで、一方向強化繊維シート１の幅方向への強度が得られ、成形作業などにおいて幅方向に外力が加わるようなことがあっても一方向強化繊維シート１が裂けるようなトラブルを防ぐことが出来る。

補助糸５の糸種としては特に限定されないが、熱可塑樹脂４を溶融温度以上に加熱する際に熱収縮が小さい繊維糸であることが好ましく、例えばガラス繊維糸、炭素繊維糸、アラミド繊維糸などで、なかでも、ガラス繊維糸であれば熱収縮が殆どなくて細繊度糸が安価で入手できることから好ましい。

補助糸５は、一体化を強めることを目的とするものであるから、さほどの強度は必要とせず、補助糸５の糸繊度としては７００Ｄｔｅｘ以下の細繊度糸で、そして幅方向に振って出来る長さ方向に対する間隔が１〜５ｃｍ程度の粗密度に配列させ、少ない使用量とすることが好ましい。

また、図３は補助糸５のジグザグ状配列と熱可塑樹脂４のジグザグ状配置を同期させた例を示しており、その様に同期させる方法としては、例えば補助糸５を芯にして、その周りに熱可塑樹脂からなる低融点ポリマー糸を巻き付けたカバーリング方法、あるいは押し出し成形機を用いて補助糸５の周りに低融点ポリマーを付着させた補助糸５を二枚の薄いシート２・３の間に配列し、合わせた薄いシート２・３の両面から低融点ポリマーの溶融温度以上で加熱圧着させることにより、補助糸５の周りに付着していた低融点ポリマーが二枚の薄いシート２・３の内側面に付着することによって熱可塑樹脂４を補助糸５に沿って配置させることが出来る。

図３では補助糸５のジグザグ状の配列と熱可塑樹脂４のジグザグ状の線状配置を一致させた例を示すが、第２実施形態で示した熱可塑樹脂４の点状配置された一方向強化繊維シート１に補助糸５をジグザグ状に配列しても良いし、また第１実施形態で示した熱可塑樹脂４の線状配置のジグザグ状の軌跡とは異なる軌跡で補助糸５をジグザグ状に配列させても構わない。

本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は図示の実施形態に限定されるものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能である。

１一方向性強化繊維シート材
２（表側の）シート
３（裏側の）シート
４熱可塑樹脂
５補助糸

Claims

複数本の強化繊維が一方向に並行し、目付が１０〜５０ｇ／ｍ^２の薄いシートの二枚が同方向に重なり、該二枚の薄いシート間に熱可塑樹脂が点状、または線状に配置されて一体化していることを特徴とする一方向性強化繊維シート。
１本、または複数本の線状の前記熱可塑樹脂が、ジグザグ状で長さ方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載の一方向性強化繊維シート。
前記二枚の薄いシート間に、１本、または複数本の補助糸がジグザグ状で長さ方向に配列されていることを特徴とする請求項１または２記載の一方向性強化繊維シート。
前記線状に配置された熱可塑樹脂が、補助糸周りに付着した熱可塑樹脂からなることを特徴とする請求項３記載の一方向性強化繊維シート。
前記熱可塑樹脂は、融点が１８０℃以下の低融点ポリマーであること特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の一方向性強化繊維シート。
線状配置された熱可塑樹脂の長さ当たりの重量が５〜２５ｇ／１０００ｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の一方向性強化繊維シート。
前記強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の一方向性強化繊維シート。