JP2018178299A - 繊維構造体、及び繊維強化複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】毛羽の飛散を抑えることができる繊維構造体、及び繊維強化複合材の製造方法を提供すること。【解決手段】繊維構造体１１は、第１端面１１ａの全面に毛羽抑制領域Ｒを有する。毛羽抑制領域Ｒは、第１緯糸層２１より内側の繊維層の緯糸１３及び経糸１４よりも発生する毛羽の量を少なくした緯糸１３及び結束糸１５から形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、繊維構造体、及び繊維強化複合材の製造方法に関する。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材のうちマトリックスを樹脂とした繊維強化複合材の製造方法には、いくつかの方法が知られているが、強化基材として繊維構造体を用いた繊維強化複合材を成形するには、成形サイクルが短く、生産性が高いという等の利点があることからＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が用いられることが多い。ＲＴＭ法は、成形型内に形成されるキャビティ内に繊維構造体を配置し、成形型内を減圧した後、キャビティ内に未硬化の熱硬化性樹脂を注入して強化基材に含浸させた後、樹脂を硬化させ、硬化後に脱型して繊維強化複合材の成形品を得るというものである。

繊維強化複合材の強化基材としては、例えば、特許文献１に開示の多軸ステッチ基材が挙げられる。多軸ステッチ基材は、複数本の非連続繊維製の強化繊維糸が並行に配列されたシート状部材を複数枚、各シート状部材の強化繊維糸の配列方向が交差するように積層してステッチ糸で一体化して形成されている。

特開２００９−２４９７８４号公報

ところで、ＲＴＭ法で繊維強化複合材を製造する際、キャビティ内に繊維構造体を配置した後に成形型内を減圧するが、この減圧により、キャビティ内に露出した強化繊維糸から非連続繊維が剥離して毛羽となり、剥離した毛羽が飛散することがある。飛散した毛羽は、成形型における減圧ポートや樹脂注入用の孔に侵入したり、成形型の型合わせ面に侵入したりする虞がある。

本発明の目的は、毛羽の飛散を抑えることができる繊維構造体、及び繊維強化複合材の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維構造体は、複数の繊維束を含む繊維層が複数積層された繊維構造体であって、複数の前記繊維層が積み重ねられた方向を積層方向とすると、前記積層方向の両端面のうちの少なくとも一方の端面に毛羽抑制領域を有し、前記毛羽抑制領域は、前記少なくとも一方の端面に露出した前記繊維束であって、前記少なくとも一方の端面を構成する前記繊維層より内側の前記繊維層の前記繊維束よりも発生する毛羽の量を少なくした繊維束によって形成されていることを要旨とする。

これによれば、成形型のキャビティに繊維構造体を配置し、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて繊維強化複合材を製造する際、毛羽抑制領域がキャビティから露出するように繊維構造体をキャビティに配置し、成形型内を減圧する。このとき、キャビティから露出した繊維構造体の端面に毛羽抑制領域が存在しない場合と比べると毛羽の飛散が抑えられる。

また、繊維構造体について、前記毛羽抑制領域を形成する前記繊維束は連続繊維を束ねた連続糸である。
これによれば、例えば、非連続繊維を束ねた糸と比べると、毛羽の発生をより抑えることができる。

また、繊維構造体について、前記繊維構造体は、前記繊維束としての緯糸が互いに平行に配列された繊維層と、前記繊維束としての経糸が互いに平行に配列された繊維層とが、複数の各繊維層と交差する方向に配列された結束糸で結束されるとともに、前記結束糸は前記積層方向の両端面に露出しており、前記毛羽抑制領域に露出した前記繊維束、及び前記結束糸を前記毛羽の量が少ない繊維束とした。

これによれば、繊維構造体を積層方向に結束するために結束糸が使用され、結束糸が繊維構造体の積層方向の端面に露出し、毛羽抑制領域に存在していても、その結束糸から発生する毛羽の量が抑えられる。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材の製造方法は、複数の繊維束を含む繊維層が複数積層された繊維構造体を成形型のキャビティに配置し、前記繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させる繊維強化複合材の製造方法であって、前記繊維構造体において複数の前記繊維層が積み重ねられた方向を積層方向とすると、前記積層方向の一端面に毛羽抑制領域を設け、該毛羽抑制領域を、前記一端面に露出した前記繊維束であって、前記一端面を構成する前記繊維層より内側の前記繊維層の前記繊維束よりも発生する毛羽の量を少なくした繊維束によって形成し、前記繊維構造体を前記キャビティに配置する工程では、前記毛羽抑制領域を前記キャビティから露出させた状態で前記繊維構造体を前記キャビティに配置することを要旨とする。

これによれば、成形型内を減圧するとき、キャビティから露出した繊維構造体の端面に毛羽抑制領域が存在しない場合と比べると毛羽の飛散が抑えられる。特に、成形型を減圧するための排出孔や、樹脂を注入するための注入孔に、毛羽抑制領域が対向していると、排出孔や注入孔に毛羽が詰まることが抑制でき、また、成形型の下型と上型の合わせ面の間に毛羽が侵入することを抑制できる。

本発明によれば、毛羽の飛散を抑えることができる。

実施形態の繊維強化複合材を示す斜視図。 繊維構造体を模式的に示す図。 （ａ）は成形型を示す模式図、（ｂ）はキャビティ内に未硬化樹脂を注入した状態を示す図、（ｃ）は型閉めした状態を示す図。 成形型内を減圧した状態を模式的に示す図。

以下、繊維構造体、及び繊維強化複合材の製造方法を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、繊維強化複合材１０は、強化基材となる繊維構造体１１にマトリックス樹脂１２を含浸させて構成されている。マトリックス樹脂１２としては、例えば、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂が使用される。

図２に示すように、繊維構造体１１は、複数の繊維層が積層されて構成されている。なお、繊維層が積み重なった方向を繊維構造体１１の積層方向Ｙとする。また、繊維構造体１１は、繊維束としての複数本の緯糸１３と、繊維束としての複数本の経糸１４とを有する。繊維構造体１１は、多層織りによって形成された多層織物である。緯糸１３及び経糸１４は互いに直交する方向に延びている。

繊維構造体１１は、複数本の緯糸１３が互いに平行に配列された第１緯糸層２１と、積層方向Ｙにおいて、第１緯糸層２１より下方に配置された第２緯糸層２２と、積層方向Ｙにおいて第２緯糸層２２より下方に配置された第３緯糸層２３と、積層方向Ｙにおいて第３緯糸層２３より下方に配置された第４緯糸層２４と、を有する。第１〜第４緯糸層２１〜２４は、多層織物を構成する繊維層である。

また、繊維構造体１１は、複数本の経糸１４が互いに平行に配列された第１経糸層３１と、積層方向Ｙにおける第１経糸層３１より下方に配置された第２経糸層３２と、第２経糸層３２より下方に配置された第３経糸層３３と、を有する。第１〜第３経糸層３１〜３３は、多層織物を構成する繊維層である。

繊維構造体１１は、積層方向Ｙの一端から他端（上から下）へ第１緯糸層２１、第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、第３緯糸層２３、第３経糸層３３、及び第４緯糸層２４の順番で積層されている。これら第１緯糸層２１、第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、第３緯糸層２３、第３経糸層３３及び第４緯糸層２４は、複数本の結束糸１５により積層方向Ｙに結束されている。

各結束糸１５は、繊維構造体１１の形状保持用であり、繊維束である。複数本の結束糸１５は、各経糸１４と平行に配列されるとともに、繊維構造体１１を構成する最上層の第１緯糸層２１の緯糸１３の外面を通って折り返すように配置されている。また、結束糸１５は、繊維構造体１１を積層方向Ｙに貫通し、最下層の第４緯糸層２４の緯糸１３の外面を通って折り返すように配置されている。

繊維構造体１１は積層方向Ｙの一端面に第１端面１１ａを備え、第１端面１１ａは第１緯糸層２１を構成する全ての緯糸１３と、各結束糸１５のうち第１緯糸層２１の緯糸１３の外面で折り返された部分で構成されている。繊維構造体１１は、積層方向Ｙの他端面に第２端面１１ｂを備え、第２端面１１ｂは第４緯糸層２４を構成する全ての緯糸１３と、各結束糸１５のうち第４緯糸層２４の緯糸１３の外面で折り返された部分で構成されている。

その一方で、繊維構造体１１の第１端面１１ａには、第１緯糸層２１より積層方向Ｙの内側となる第１経糸層３１は露出せず、第１経糸層３１を構成する経糸１４は第１端面１１ａには露出していない。すなわち、第１経糸層３１の経糸１４は、第１緯糸層２１の緯糸１３によって覆われている。同様に、繊維構造体１１の第２端面１１ｂには、第４緯糸層２４より積層方向Ｙの内側となる第３経糸層３３は露出せず、第３経糸層３３を構成する経糸１４は第２端面１１ｂには露出していない。すなわち、第３経糸層３３の経糸１４は、第４緯糸層２４の緯糸１３によって覆われている。

図１及び図２にドットハッチングで示すように、繊維構造体１１において、第１端面１１ａ（第１緯糸層２１）を構成する緯糸１３は、連続繊維を束ねて形成された連続糸である。連続繊維としては熱可塑繊維を採用したが、後述するが、発生する毛羽の量を抑えることができれば連続繊維は、熱可塑繊維に限定されず、その他の連続繊維であってもよい。また、第１端面１１ａに一部が露出することとなる結束糸１５も、連続繊維を束ねて形成された連続糸である。連続繊維としては熱可塑繊維を採用した。

一方、繊維構造体１１において、第１緯糸層２１以外の第２緯糸層２２、第３緯糸層２３、及び第４緯糸層２４を構成する緯糸１３と、第１経糸層３１、第２経糸層３２、及び第３経糸層３３を構成する経糸１４は、非連続繊維で形成されている。非連続繊維としては、強化繊維である有機繊維又は無機繊維を使用してもよく、有機繊維としては、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。非連続繊維で形成された繊維束の形態としては、紡績糸、牽切糸等が挙げられ、本実施形態では、紡績糸を採用している。紡績糸は、上述した連続糸と比べて発生する毛羽の量が多い。

したがって、第１端面１１ａを構成する第１緯糸層２１の緯糸１３及び結束糸１５は、第１端面１１ａより積層方向Ｙの内側にある第２緯糸層２２と第３緯糸層２３と第４緯糸層２４の緯糸１３、及び第１経糸層３１と第２経糸層３２と第３経糸層３３の経糸１４よりも、発生し得る毛羽の量が少ない。本実施形態では、繊維構造体１１は、第１端面１１ａの全面に毛羽抑制領域Ｒを有する。

よって、毛羽抑制領域Ｒに面する第１端面１１ａから発生する毛羽の量は、第１端面１１ａを構成する第１緯糸層２１より積層方向Ｙ内側に位置する第１経糸層３１、第２緯糸層２２、第２経糸層３２、第３緯糸層２３、第３経糸層３３、及び第４緯糸層２４から発生する毛羽の量より少ない。なお、毛羽は、緯糸１３及び経糸１４を織機で製織する際、筬打ち動作や綜絖枠の開口動作によって発生する。

前記のように構成された繊維構造体１１は、マトリックス樹脂１２を含浸硬化させて、繊維強化複合材１０となる。樹脂は、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。繊維構造体１１にマトリックス樹脂１２が含浸硬化されることにより、繊維構造体１１の緯糸１３及び経糸１４は、マトリックス樹脂と複合化して繊維強化複合材１０となる。そして、繊維強化複合材１０は、例えば、航空機や乗用車等の移動体の外板として使用される。

次に、繊維強化複合材１０の製造方法を作用とともに記載する。
図３（ａ）に示すように、成形型４１は下型４２及び上型４３で構成されており、下型４２は形成すべき繊維強化複合材１０の形状に対応したキャビティ４４を備え、上型４３には、型閉め状態でキャビティ４４に連通する注入孔４５及び排出孔４６が形成されている。注入孔４５は一端がキャビティ４４と対応する位置に形成され、他端が注入管４７を介して樹脂注入装置４８に接続されている。樹脂注入装置４８は、公知の装置が使用され、タンク４９内に貯蔵された樹脂をポンプＰで送り出すように構成されている。

排出孔４６は一端がキャビティ４４と対応する位置に形成され、他端が吸引管５１を介して減圧ポンプ５０に接続されている。下型４２の上面には環状溝５２が形成され、環状溝５２に収容されるシール材５５により型閉め状態におけるキャビティ４４の密閉性が確保されている。

まず、成形型４１が開放された状態で、キャビティ４４内（成形型１１内）に繊維構造体１１を配置する。このとき、繊維構造体１１は、第１端面１１ａ（第１緯糸層２１）の全面に設けられた毛羽抑制領域Ｒが上面を構成するようにキャビティ４４内に配置される。この場合、繊維構造体１１の第１端面１１ａ、すなわち毛羽抑制領域Ｒのみがキャビティ４４内から外部に露出する。

次に、図３（ａ）に示すように、上型４３がシール材５５に接触し、キャビティ４４の密閉性が確保されるまで型閉めを行う。このとき、下型４２の上面と上型４３の下面との間には隙間５６が介在する。また、上型４３の注入孔４５及び排出孔４６は、毛羽抑制領域Ｒに対向する。

次に、成形型４１を加熱する。この加熱はキャビティ４４に注入される未硬化樹脂の流動性を高めることを主目的としている。そして、減圧ポンプ５０を駆動して、キャビティ４４内を真空に近い状態まで減圧する。

図４に示すように、減圧時、キャビティ４４内には矢印Ｋに示すような排出孔４６に向かう空気の流れが生じるとともに、キャビティ４４から露出した繊維構造体１１の第１端面１１ａ（毛羽抑制領域Ｒ）には、減圧に伴う吸引力が作用する。第１端面１１ａに露出した緯糸１３及び結束糸１５は連続糸であり、発生する毛羽の量が抑えられた糸である。よって、第１端面１１ａからの毛羽の飛散が抑えられる。

続いて、図３（ｂ）に示すように、キャビティ４４内が減圧された状態で、樹脂注入装置４８から未硬化の熱硬化性樹脂５７を注入孔４５からキャビティ４４内に注入する。樹脂注入装置４８は、送り出される熱硬化性樹脂５７が一定流量となるように熱硬化性樹脂５７を送り出す。キャビティ４４内に注入された熱硬化性樹脂５７は繊維構造体１１に含浸される。そして、熱硬化性樹脂５７がキャビティ４４を下から次第に満たしていく。

キャビティ４４への熱硬化性樹脂５７の注入が継続されて、繊維構造体１１の第１端面１１ａが熱硬化性樹脂５７によって覆われるまでキャビティ４４内への熱硬化性樹脂５７の注入が行われた後、樹脂注入装置４８及び減圧ポンプ５０の運転を停止する。

その後、図３（ｃ）に示すように、さらなる型閉めが行われ、下型４２と上型４３の隙間５６が狭められる。そして、熱硬化性樹脂５７及び繊維構造体１１が圧縮された状態で熱硬化性樹脂５７の硬化が完了するまで成形型４１の加熱が継続される。熱硬化性樹脂５７の硬化が完了した後、成形型４１を開き、成形型４１内から繊維強化複合材１０を取り出す。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）繊維構造体１１の第１端面１１ａに露出する緯糸１３及び結束糸１５を熱可塑繊維製とし、繊維構造体１１の第１端面１１ａの全面に毛羽抑制領域Ｒを設けた。その一方で、第１緯糸層２１よりも積層方向Ｙ内側の第２緯糸層２２、第３緯糸層２３及び第４緯糸層２４の緯糸１３と、第１経糸層３１、第２経糸層３２及び第３経糸層３３の経糸１４とを紡績糸とした。このため、例えば、第１端面１１ａに露出する糸を紡績糸とし、毛羽抑制領域Ｒを設けない場合と比べると、第１端面１１ａから飛散する毛羽の量を抑えることができる。

その結果として、繊維強化複合材１０の製造の際、繊維構造体１１を成形型４１のキャビティ４４に配置し、成形型４１内を減圧した際、第１端面１１ａからの毛羽の飛散が抑えられ、注入孔４５や排出孔４６に毛羽が詰まることや、下型４２と上型４３の隙間５６に毛羽が侵入することを抑制できる。その結果、注入孔４５、排出孔４６、隙間５６に毛羽が詰まることを抑制するために、減圧速度を遅くしたり、注入孔４５及び排出孔４６にフィルタを設置する必要もない。

（２）繊維構造体１１の第１端面１１ａの全面を毛羽抑制領域Ｒとし、第１端面１１ａに露出する緯糸１３及び結束糸１５を連続糸としたため、非連続繊維が毛羽となって飛散することがなく、発生する毛羽の量を抑えることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 繊維構造体１１の積層方向の第１端面１１ａだけでなく、第２端面１１ｂを構成する第４緯糸層２４の緯糸１３も連続糸から形成し、第２端面１１ｂの全面を毛羽抑制領域Ｒとしてもよい。

○ 繊維構造体１１は、第１端面１１ａの全面に毛羽抑制領域Ｒを有するとしたが、第１端面１１ａの全面でなく一部に毛羽抑制領域Ｒを有していてもよい。例えば、第１端面１１ａにおいて、成形型４１を型閉めした際に上型４３の注入孔４５及び排出孔４６と対向する部分に露出する緯糸１３及び結束糸１５を熱可塑繊維とし、第１端面１１ａにおいて注入孔４５及び排出孔４６と対向する部分のみを毛羽抑制領域Ｒとしてもよい。この場合、第１端面１１ａにおいて、注入孔４５及び排出孔４６と対向しない部分に露出する緯糸１３及び結束糸１５は、紡績糸やその他の非連続繊維製であってもよい。

また、この場合、第１端面１１ａの毛羽抑制領域Ｒは、上型４３の注入孔４５及び排出孔４６と対向する部分だけでなく、その対向する部分の周囲まで広がっていてもよい。
○ 繊維構造体１１は、平織り、繻子織り、又は綾織りで形成された織物を複数積層して構成されていてもよい。この場合、積層方向両端面のうち、少なくともキャビティ４４に配置したときキャビティ４４外に露出する一端面を構成する織物を、連続糸で形成する。

○ 繊維構造体１１において、積層する緯糸層及び経糸層の数は適宜変更してもよい。
○ 繊維構造体１１を繊維強化複合材１０の強化基材として使用する場合、マトリックス樹脂の種類に規制はない。

○ 繊維構造体１１の積層方向の少なくとも一端面を構成する繊維束は、撚糸であってもよい。

Ｒ…毛羽抑制領域、Ｙ…積層方向、１０…繊維強化複合材、１１…繊維構造体、１１ａ…第１端面、１１ｂ…第２端面、１２…マトリックス樹脂、１３…繊維束としての緯糸、１４…繊維束としての経糸、１５…結束糸、２１〜２４…繊維層としての第１〜第４緯糸層、３１〜３３…繊維層としての第１〜第３経糸層、４１…成形型、４４…キャビティ。

Claims (4)

1. 複数の繊維束を含む繊維層が複数積層された繊維構造体であって、
   複数の前記繊維層が積み重ねられた方向を積層方向とすると、
   前記積層方向の両端面のうちの少なくとも一方の端面に毛羽抑制領域を有し、
   前記毛羽抑制領域は、前記少なくとも一方の端面に露出した前記繊維束であって、前記少なくとも一方の端面を構成する前記繊維層より内側の前記繊維層の前記繊維束よりも発生する毛羽の量を少なくした繊維束によって形成されていることを特徴とする繊維構造体。
2. 前記毛羽抑制領域を形成する前記繊維束は連続繊維を束ねた連続糸である請求項１に記載の繊維構造体。
3. 前記繊維構造体は、前記繊維束としての緯糸が互いに平行に配列された繊維層と、前記繊維束としての経糸が互いに平行に配列された繊維層とが、複数の各繊維層と交差する方向に配列された結束糸で結束されるとともに、前記結束糸は前記積層方向の両端面に露出しており、前記毛羽抑制領域に露出した前記繊維束、及び前記結束糸を前記毛羽の量が少ない繊維束とした請求項１又は請求項２に記載の繊維構造体。
4. 複数の繊維束を含む繊維層が複数積層された繊維構造体を成形型のキャビティに配置し、前記繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させる繊維強化複合材の製造方法であって、
   前記繊維構造体において複数の前記繊維層が積み重ねられた方向を積層方向とすると、
   前記積層方向の一端面に毛羽抑制領域を設け、該毛羽抑制領域を、前記一端面に露出した前記繊維束であって、前記一端面を構成する前記繊維層より内側の前記繊維層の前記繊維束よりも発生する毛羽の量を少なくした繊維束によって形成し、
   前記繊維構造体を前記キャビティに配置する工程では、
   前記毛羽抑制領域を前記キャビティから露出させた状態で前記繊維構造体を前記キャビティに配置することを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。