JP2019094579A - 繊維強化複合材用強化繊維糸 - Google Patents
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Abstract
【課題】マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい繊維強化複合材用強化繊維糸の提供。【解決手段】繊維構造体よりなる強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、強化繊維製の非連続繊維12を撚った撚糸を芯糸11として備えるとともに、芯糸11を覆い、強化繊維製の非連続繊維22からなる無撚の繊維層を被覆層21として備える繊維強化複合材用強化繊維糸10。更に被覆層21に捲回されたカバーリング糸を有する繊維強化複合材用強化繊維糸10。【選択図】図1
Description
本発明は、繊維強化複合材の強化基材となる繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸に関する。
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。繊維構造体を強化基材として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)法が近年用いられている。RTM法は、成形型内に形成されるキャビティ内に、予め賦形した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マトリックス樹脂(熱硬化性樹脂)を注入して繊維構造体に含浸させた後、マトリックス樹脂を硬化させ、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。
繊維構造体を形成する強化繊維糸としては、例えば炭素繊維やガラス繊維である連続フィラメントを束ねて構成されたもののほか、特許文献1に開示される複合紡績糸が挙げられる。特許文献1の複合紡績糸は、炭素繊維やガラス繊維を含む無撚の短繊維束状物の外周部に連続糸状物が捲回してなる。
ところで、繊維強化複合材を製造する際、繊維構造体は、所望の形状への賦形や、成形型による成形に伴い押し潰され、これに伴い繊維構造体を形成する強化繊維糸も押し潰される。特許文献1に開示の複合紡績糸が押し潰されると、短繊維束状物を形成する短繊維同士が密着してしまい、成形型内に注入されたマトリックス樹脂が複合紡績糸の軸芯まで浸透しにくいという問題がある。
本発明の目的は、マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい繊維強化複合材用強化繊維糸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強化複合材用強化繊維糸は、繊維構造体よりなる強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを要旨とする。
これによれば、繊維強化複合材は、所望する形状に賦形された繊維構造体を成形型のキャビティに配置し、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸、硬化させて製造される。繊維強化複合材の形状に合わせて繊維構造体が賦形された際や、成形型による成形の際に、繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸が押し潰される。しかし、撚糸である芯糸においては、撚りによって生じた非連続繊維のうねりにより、押し潰されても非連続繊維同士の間に隙間が確保される。よって、キャビティ内の繊維構造体において、繊維強化複合材用強化繊維糸が押し潰されていても、マトリックス樹脂は、被覆層の非連続繊維間から芯糸の隙間に向かって流れ込み、マトリックス樹脂を繊維強化複合材用強化繊維糸の軸芯まで浸透させやすい。
また、繊維強化複合材用強化繊維糸について、前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類であるのが好ましい。
これによれば、繊維強化複合材用強化繊維糸において、芯糸と被覆層との間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂を含浸させたときの芯糸と被覆層の間の接着性が低下しない。
これによれば、繊維強化複合材用強化繊維糸において、芯糸と被覆層との間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂を含浸させたときの芯糸と被覆層の間の接着性が低下しない。
本発明によれば、マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい。
以下、繊維強化複合材用強化繊維糸を具体化した一実施形態を図1〜図6にしたがって説明する。
図1又は図2に示すように、繊維強化複合材用強化繊維糸10は、芯糸11と、芯糸11を覆う被覆層21と、被覆層21に捲回されたカバーリング糸31と、を有する。芯糸11は、非連続繊維12から形成されている。非連続繊維12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いし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、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。
図1又は図2に示すように、繊維強化複合材用強化繊維糸10は、芯糸11と、芯糸11を覆う被覆層21と、被覆層21に捲回されたカバーリング糸31と、を有する。芯糸11は、非連続繊維12から形成されている。非連続繊維12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いし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、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。
図3に示すように、芯糸11は、複数本の非連続繊維12を撚って形成された撚糸である。芯糸11では、非連続繊維12の撚りに伴い各非連続繊維12にうねりが生じており、うねりを原因として、芯糸11の糸主軸の延びる方向、及び太さ方向に多数の隙間Sがある状態である。また、芯糸11を撚糸とすることで、芯糸11が無撚糸である場合と比べて、繊維強化複合材用強化繊維糸10の糸主軸方向への引っ張り強度である糸強力が高められている。繊維強化複合材用強化繊維糸10の軸芯Lは、芯糸11に存在する。芯糸11が隙間Sを有することで、軸芯L回りにも隙間Sが多数存在する。
図1又は図2に示すように、被覆層21は、強化繊維製の非連続繊維22からなる無撚の繊維層である。非連続繊維22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いし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、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。
被覆層21は、芯糸11を全周に亘って覆う。被覆層21は、実質無撚である。なお、実質無撚とは、非連続繊維22の撚りが全くない場合の他、実質的に非連続繊維22が撚りによる拘束を受けていない場合も含む。被覆層21が実質無撚であることから、各非連続繊維22は、繊維強化複合材用強化繊維糸10の糸主軸方向へ直線状に延びている。また、芯糸11を被覆層21で覆うことにより、繊維強化複合材用強化繊維糸10が芯糸11だけの場合と比べて糸強力が高められている。また、被覆層21においては、各非連続繊維22が直線状であるため、隣り合う非連続繊維22同士の間には隙間Sが存在している。
カバーリング糸31は、連続繊維を束ねて形成されている。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、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、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。なお、カバーリング糸31は、非連続繊維を束ねて形成されたものでもよい。カバーリング糸31は、被覆層21に対し螺旋状に巻き付けられ、芯糸11が被覆層21で覆われた形状を保持する。
本実施形態の繊維強化複合材用強化繊維糸10において、芯糸11を形成する非連続繊維12と、被覆層21を形成する非連続繊維22と、カバーリング糸31を形成する連続繊維又は非連続繊維は、全て同じ材質であり、例えば、炭素繊維で形成されている。図2又は図3に示すように、芯糸11を形成する非連続繊維12の太さは、被覆層21を形成する非連続繊維22の太さより太い。芯糸11を形成する非連続繊維12の太さが太くなるほど、非連続繊維12のうねりに伴って生じる隙間Sも大きくなりやすい。
図4に示すように、繊維強化複合材40は、強化基材である繊維構造体41にマトリックス樹脂51を含浸させて構成されている。マトリックス樹脂51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。なお、繊維構造体41は、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層42aと、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の経糸からなる経糸層42bとを複数積層し、複数の緯糸層42aと複数の経糸層42bとを拘束糸43で積層方向に拘束して構成されている。
繊維構造体41へのマトリックス樹脂51の含浸は、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。そして、繊維構造体41にマトリックス樹脂51が含浸し、マトリックス樹脂51が硬化することにより、繊維構造体41の各繊維強化複合材用強化繊維糸10は、マトリックス樹脂51と複合化して繊維強化複合材40となる。そして、繊維強化複合材40は、例えば、航空機や乗用車等の移動体の部品として使用される。
次に、繊維強化複合材40の製造方法を作用とともに記載する。
図5(a)に示すように、成形型61は下型62及び上型63で構成されており、下型62は形成すべき繊維強化複合材40の形状に対応したキャビティ64を備え、上型63には、型閉め状態でキャビティ64に連通する注入孔65及び排出孔66が形成されている。注入孔65は一端がキャビティ64と対応する位置に形成され、他端が図示しない樹脂注入装置に接続されている。樹脂注入装置は、公知の装置が使用され、タンク内に貯蔵された未硬化のマトリックス樹脂51をポンプで送り出すように構成されている。排出孔66は一端がキャビティ64と対応する位置に形成され、他端が図示しない減圧ポンプに接続されている。
図5(a)に示すように、成形型61は下型62及び上型63で構成されており、下型62は形成すべき繊維強化複合材40の形状に対応したキャビティ64を備え、上型63には、型閉め状態でキャビティ64に連通する注入孔65及び排出孔66が形成されている。注入孔65は一端がキャビティ64と対応する位置に形成され、他端が図示しない樹脂注入装置に接続されている。樹脂注入装置は、公知の装置が使用され、タンク内に貯蔵された未硬化のマトリックス樹脂51をポンプで送り出すように構成されている。排出孔66は一端がキャビティ64と対応する位置に形成され、他端が図示しない減圧ポンプに接続されている。
まず、繊維構造体41を所望する形状に賦形する。次に、成形型61が開放された状態で、キャビティ64内(成形型61内)に賦形した繊維構造体41を配置する。この場合、繊維構造体41の上端面41aがキャビティ64内から外部に露出する。
次に、図5(b)に示すように、キャビティ64の密閉性が確保されるまで型閉めを行う。このとき、上型63の下面は、繊維構造体41の上端面41aを押圧し、繊維構造体41が積層方向に圧縮される。
すると、図6に示すように、繊維構造体41の各繊維強化複合材用強化繊維糸10も圧縮され、押し潰される。繊維強化複合材用強化繊維糸10が押し潰されても、撚糸である芯糸11においては、うねりを伴う非連続繊維12同士の間に隙間Sが形成され、被覆層21においても、非連続繊維22同士の間に隙間Sが形成されている。次に、成形型61を加熱する。そして、減圧ポンプを駆動して、キャビティ64内を真空に近い状態まで減圧する。
続いて、図5(b)に示すように、キャビティ64内が減圧された状態で、樹脂注入装置から未硬化のマトリックス樹脂51を注入孔65からキャビティ64内に注入する。キャビティ64内に注入されたマトリックス樹脂51は、繊維構造体41の各繊維強化複合材用強化繊維糸10に浸透する。具体的には、未硬化のマトリックス樹脂51は、芯糸11の隙間Sに向かって被覆層21の隙間Sに流れ込み、芯糸11の軸芯Lに浸透していく。
その後、マトリックス樹脂51及び繊維構造体41が圧縮された状態でマトリックス樹脂51の硬化が完了するまで成形型61の加熱が継続される。マトリックス樹脂51の硬化が完了した後、成形型61を開き、成形型61内から繊維強化複合材40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)繊維強化複合材用強化繊維糸10を、芯糸11と、芯糸11を覆う被覆層21と、被覆層21に捲回されたカバーリング糸31とで構成した。芯糸11を撚糸とし、被覆層21を非連続繊維22を撚らずに形成した繊維層とした。よって、繊維構造体41が賦形されたり、成形型61の型閉めによって圧縮されたりしたときであっても、芯糸11には、非連続繊維12同士の間に隙間Sが確保される。このため、繊維強化複合材40の製造時、芯糸11の隙間Sに向かってマトリックス樹脂51が流れることとなり、マトリックス樹脂51を繊維強化複合材用強化繊維糸10の軸芯Lまで浸透させやすい。
(1)繊維強化複合材用強化繊維糸10を、芯糸11と、芯糸11を覆う被覆層21と、被覆層21に捲回されたカバーリング糸31とで構成した。芯糸11を撚糸とし、被覆層21を非連続繊維22を撚らずに形成した繊維層とした。よって、繊維構造体41が賦形されたり、成形型61の型閉めによって圧縮されたりしたときであっても、芯糸11には、非連続繊維12同士の間に隙間Sが確保される。このため、繊維強化複合材40の製造時、芯糸11の隙間Sに向かってマトリックス樹脂51が流れることとなり、マトリックス樹脂51を繊維強化複合材用強化繊維糸10の軸芯Lまで浸透させやすい。
(2)繊維強化複合材用強化繊維糸10において、被覆層21にはカバーリング糸31が捲回されている。カバーリング糸31により、被覆層21が芯糸11から剥がれ落ちることが抑制される。また、カバーリング糸31により、被覆層21が芯糸11を覆う状態を維持でき、繊維強化複合材用強化繊維糸10を織ったりする際にも被覆層21が剥がれることを抑制できる。
(3)芯糸11を形成する非連続繊維12の太さを、被覆層21を形成する非連続繊維22の太さより太くした。このため、芯糸11の非連続繊維12同士の間に形成される隙間Sをより大きくしやすい。
(4)繊維強化複合材用強化繊維糸10は、繊維強化複合材40の強化基材である繊維構造体41を形成するための糸である。繊維強化複合材40は、繊維構造体41にマトリックス樹脂51を含浸させて形成されるため、繊維強化複合材用強化繊維糸10に嵩高性は必要がない一方で、糸強力を必要とする。繊維強化複合材用強化繊維糸10の糸強力を出すため、芯糸11を撚糸としている。また、被覆層21を無撚の繊維層としたため、非連続繊維22の直進性を維持し、繊維強化複合材40の強度低下を抑制できる。
(5)芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22と、カバーリング糸31とを同じ材質とした。このため、繊維強化複合材用強化繊維糸10において、芯糸11と被覆層21の間、さらに、被覆層21とカバーリング糸31の間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂51を含浸させたときの芯糸11と被覆層21との接着性、及び被覆層21とカバーリング糸31の接着性が低下しない。
(6)芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22と、カバーリング糸31とを同じ材質とした。よって、例えば、芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22とを別々の材質とする場合と比べて繊維強化複合材用強化繊維糸10の製造コスト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41は、繊維強化複合材用強化繊維糸10を平織りして形成された織物を複数積層し、複数の織物を拘束糸43で積層方向に拘束して構成されていてもよい。この場合、織物は、平織り以外に、繻子織り、綾織りで形成されていてもよい。
○ 繊維構造体41は、繊維強化複合材用強化繊維糸10を平織りして形成された織物を複数積層し、複数の織物を拘束糸43で積層方向に拘束して構成されていてもよい。この場合、織物は、平織り以外に、繻子織り、綾織りで形成されていてもよい。
○ 繊維構造体41は、複数の緯糸層42aと複数の経糸層42bとを拘束糸43で積層方向に拘束していたが、これに限らない。繊維構造体41は、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層42aを、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の経糸で拘束して構成されていてもよい。又は、繊維構造体41は、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の経糸からなる経糸層42bを、繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成された複数本の緯糸で拘束して構成されていてもよい。
○ 繊維構造体41を形成する緯糸及び経糸は、緯糸のみ繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成されていてもよいし、経糸のみ繊維強化複合材用強化繊維糸10で形成されていてもよい。
○ 図7に示すように、繊維強化複合材用強化繊維糸10は、カバーリング糸31を備えず、芯糸11と被覆層21のみで構成されていてもよい。
○ 繊維強化複合材用強化繊維糸10において、芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22とを同じ太さにしてもよい。
○ 繊維強化複合材用強化繊維糸10において、芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22とを同じ太さにしてもよい。
○ 繊維強化複合材用強化繊維糸10において、芯糸11の非連続繊維12と、被覆層21の非連続繊維22とを異なる種類の強化繊維製としてもよい。
○ マトリックス樹脂51はエポキシ樹脂でなくてもよく、例えばビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド樹脂、ABS樹脂等といった熱可塑性樹脂であってもよい。
○ マトリックス樹脂51はエポキシ樹脂でなくてもよく、例えばビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド樹脂、ABS樹脂等といった熱可塑性樹脂であってもよい。
○ 繊維強化複合材40の成形方法は、RTM法に限られず、例えば熱プレス成形法であってもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(1)前記芯糸の非連続繊維の太さは、前記被覆層の非連続繊維の太さより太い繊維強化複合材用強化繊維糸。
(2)前記被覆層の外周に捲回されたカバーリング糸を備える繊維強化複合材用強化繊維糸。
(2)前記被覆層の外周に捲回されたカバーリング糸を備える繊維強化複合材用強化繊維糸。
(3)繊維構造体よりなる強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸が、強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを特徴とする繊維強化複合材。
(4)前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類である繊維強化複合材。
10…繊維強化複合材用強化繊維糸、11…芯糸、12,22…非連続繊維、21…被覆層、40…繊維強化複合材、41…繊維構造体、51…マトリックス樹脂。
Claims (2)
- 繊維構造体よりなる強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、
強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、
前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを特徴とする繊維強化複合材用強化繊維糸。 - 前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類である請求項1に記載の繊維強化複合材用強化繊維糸。
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