JP2019209486A - 一方向プリプレグおよびその巻取体 - Google Patents

Abstract

【課題】プリプレグの賦形時に発生する余剰部を解消する一方向プリプレグを提供する。【解決手段】部分的な切込が存在する、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグであって、繊維配向方向、繊維直交方向、または繊維配向方向および繊維直交方向に延伸させ、繊維配向方向の延伸率（％）＝（切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）／（繊維長さＬ［ｍｍ］＋切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）＊１００、繊維直交方向の延伸率（％）＝｛（切込部分の繊維直交方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）の繊維直交方向積算値｝／延伸後の一方向プリプレグの幅［ｍｍ］＊１００、の式でそれぞれ規定する延伸率が、いずれも１％以上２０％以下となることを特徴とする一方向プリプレグ。【選択図】図１

Description

本発明は、部分的切り込みのある延伸された一方向強化繊維基材ならびに巻取体に関する。

炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等の強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた強化繊維プリプレグは、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用されている。特に航空機産業においては燃料節約及び操業コストの削減を目的に、幅広く利用されている。

連続繊維からなるプリプレグは三次元形状に成形し難い材料であるため、プリプレグを数ｍｍの幅にまでスリットしてテープ状にし、三次元形状に並べて積層することで、幅の狭いテープ自体を実質二次元形状に沿わせるだけで良く、複雑形状であっても形状追従可能とするオートテープレイアップと呼ばれる技術が用いられる。しかしながら、大面積、厚肉部材の三次元形状にまで積層するには生産性が低いという問題があった。

一方、生産性に優れるプロセスとして、平板上に積層したプリプレグを一気に三次元形状に賦形するホットフォーミングが知られている。しかしながら、賦形時にプリプレグの変形能不足に起因するシワやブリッジング（繊維の突っ張り）が発生し、繊維強化繊維プラスチックの歩止まりが落ちるという問題があった。具体的には、形状変化のある部位、例えば屈曲部では、プリプレグ積層体の上下で周長差が生じる。プリプレグ積層体が固化され繊維強化プラスチックとなる過程で、プリプレグに含浸されたマトリックス樹脂の熱収縮による厚み減少が生じるものの、プリプレグ積層体は伸張性の低い強化繊維が連続しているため、周長差を解消させるには強化繊維自身が座屈してシワを発生させるか、ブリッジングを起こすといった成形不具合を引き起こしていた。また、ブリッジング直下は成形圧が加わり難いことから、ボイドが発生しやすいといったデメリットも併発していた。このボイド発生は真空ポンプを加圧手段としたオーブン成形など低圧成形においてより顕著な問題であった。

フォーミング中の皺を低減する技術として、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続けることで、座屈を低減する方法が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、積層したプリプレグ上に引張材料を載置し外縁から張力を保持し続けることで、平板上に積層したプリプレグの面外方向に圧縮力を加え続け、座屈を低減することができる。

また、三次元形状への賦形性を向上させる技術として、プリプレグに複数の切込を挿入し面内変形能を高めることで皺を低減する方法が知られている（例えば、特許文献２）。特許文献２に開示された技術では、規則的な切込を挿入したプリプレグを積層しフォーミングすることで、三次元形状への賦形性に優れ、部材強度低下を引き起こすような成形欠陥を抑制する成形ロバスト性に優れた繊維強化プラスチックを得ることができる。

特表２０１６−５１４６３４号公報 ＷＯ２０１６／０４３１５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるフォーミング中の皺を低減する方法は、賦形時において、最終形状に起因する形態により発生する余剰部を解消することができないという問題があった。

また、特許文献２に開示される三次元形状への賦形性を向上させる方法も、特許文献１と同様に、賦形時において、最終形状に起因する形態により発生する余剰部を解消することができないという問題があった。

そこで本発明の課題は、プリプレグの賦形時に発生する余剰部を解消する一方向プリプレグを提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る一方向プリプレグは、部分的な切込が存在する、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグであって、繊維配向方向、繊維直交方向、または繊維配向方向および繊維直交方向に延伸させ、下記式で規定する延伸率が１％以上２０％以下となることを特徴とする一方向プリプレグである。

本発明により提供される一方向強化繊維基材は、部分的な切込がある一方向プリプレグを延伸することで切込が目開きし、一方向プリプレグ内に繊維の逃げ場が生じることで、プリプレグの賦形時に発生する余剰部を解消する一方向プリプレグを提供することができる。

本発明の一実施態様に係る、一方向強化繊維基材の概略図であり、（ａ）は延伸前の一方向強化繊維基材の概略図を、（ｂ）は縦延伸された一方向強化繊維基材の概略図を、（ｃ）は横延伸された一方向強化繊維基材の概略図を、（ｄ）は縦横延伸された一方向強化繊維基材の概略図を、（ｅ）は（ｄ）の部分拡大図を示している。 本発明の一実施態様に係る、一方向強化繊維基材からなる巻取体の概略図を示している。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。

本発明に係る一方向プリプレグは、部分的な切込が存在する、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグであって、繊維配向方向、繊維直交方向、または繊維配向方向および繊維直交方向に延伸させ、下記式で規定する延伸率が１％以上２０％以下となることを特徴とする一方向プリプレグである。延伸率が２０％を超えると、切込み部分の目開きがつながり、基材全体が破断する恐れがある。基材が繊維方向に縮小する時には、隣り合う既存の繊維同士がそれぞれガイドとなりながら縮小するため、繊維の整列を乱さない方向に拘束されつつ縮小する力が働くが、この拘束力も延伸率が２０％を超えると弱まるため、縮小した基材の繊維が乱れる恐れがある。
繊維配向方向の延伸率（％）＝（切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）／（繊維長さＬ［ｍｍ］＋切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）＊１００
繊維直交方向の延伸率（％）＝｛（切込部分の繊維直交方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）の繊維直交方向積算値｝／延伸後の一方向プリプレグの幅［ｍｍ］＊１００

部分的に切込のある、延伸前の一方向強化繊維基材１の概略図を図１に示す。部分的に切込のある一方向強化繊維基材１としては、一方向強化繊維に樹脂を含浸させた一方向プリプレグが用いられる。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。樹脂としては熱硬化樹脂と熱可塑樹脂を例にあげることができる。

切込２は、一方向強化繊維基材１の強化繊維の配向方向１０とのなす角度をθａ（°）としたとき、θａの絶対値が２〜２５°の範囲内となる向きに、強化繊維を有限長の範囲で切断したものである。

また、強化繊維の繊維直交方向に、複数の切込２が断続的に並ぶ切込列２０が設けられ、隣り合う切込列２０と繊維配向方向に対して線対称となる切込列２０が交互に配置されることが好ましい。

１つの切込列２０に着目した場合において、この切込列２０から繊維配向方向に最近接する、切込２と強化繊維とのなす角度θ°が同一となる切込列２０との間における強化繊維の繊維長さＬが５〜３００ｍｍであることが好ましい。換言すれば、隣り合う切込列２０（すなわち、θａの絶対値が相互に異なる向きの切込列）は、同一の強化繊維を連続して切断していないことが好ましい。

次に、一方向強化繊維基材１を縦方向（繊維配向方向１０）に延伸した、縦延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材３の概略図を図１（ｂ）に、一方向強化繊維基材１を横方向（繊維配向方向１０と直交方向）に延伸した、横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材５の概略図を図１（ｃ）に、それぞれ示す。

縦延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材３の縦延伸の比率は、基材の縮小能力と形状保持性と成形品の物性のバランスから、１％以上２０％以下であることが必要である。この縦延伸の比率は、（切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）／（繊維長さＬ［ｍｍ］＋切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）＊１００（％）で定義する。

縦延伸された切込４は、切込２が繊維方向に延伸されたものである。また、切込４と繊維の配向方向１０の角度をθｂ（°）としたとき、θｂ（°）の絶対値が１〜３０°の範囲内にあることが好ましい。

横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材５の横延伸の比率は、基材の縮小能力と形状保持性と成形品の物性のバランスから、１％以上２０％以下であることが必要である。この横延伸の比率は、｛（切込部分の繊維直交方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）の繊維直交方向積算値｝／延伸後の一方向プリプレグの幅［ｍｍ］＊１００（％）で定義する。

縦延伸された切込６は、切込２が繊維直交方向に延伸されたものである。また、切込６と繊維の配向方向１０の角度をθｂ（°）としたとき、θｂ（°）の絶対値が１〜３０°の範囲内にあることが好ましい。

縦横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材７の概略図を図１（ｄ）に示す。縦横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材７は、部分的に切込のある一方向強化繊維基材１が繊維配向方向１０と繊維直交方向に延伸されたものである。延伸は、基材の縮小能力と形状保持性と成形品の物性のバランスから、縦延伸の比率が１％以上２０％以下であること、かつ横延伸の比率が１％以上２０％以下である必要がある。

縦横延伸された切込８は、切込２が繊維方向と繊維直交方向に延伸されたものである。また、切込６と繊維の配向方向１０の角度をθｂ（°）としたとき、θｂ（°）の絶対値が１〜３０°の範囲内にあることが好ましい。

縦横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材７の部分拡大図を図１（ｅ）に示す。前述のとおり、１つの切込列２０に着目した場合において、この切込列２０から繊維配向方向に最近接する、切込２と強化繊維とのなす角度θ°が同一となる切込列２０との間における強化繊維の繊維長さＬが５〜３００ｍｍであることが好ましい。ここで、繊維長さＬそのものは延伸前後においても一定値である。

一方、延伸後では、切込部分の開口形状が拡大する。延伸後における、切込部分の繊維配向方向に開いた長さ２１は、切込部分の開口部内における繊維配向方向成分の長さである。また、切込部分の繊維直交方向に開いた長さ２２は、切込部分の開口部内における繊維直交方向成分の長さである。

ここで、切込み部分の開いた長さの平均値は、その基材の長手方向（繊維配向方向）に１ｍ分の長さに含まれる全切込の平均値とする。

上述した延伸後の部分的に切込のある一方向強化繊維基材を巻き取った巻取体９の一例を図２に示す。図２ではボビン状を示しているが、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではなく、スプールやリール形状に巻かれていてもよい。このような巻取体９とすることで、ＡＦＰ等の装置に供給することができるようになる。一方向強化繊維基材の幅は、例えばＡＦＰに用いる場合は、例えば、１．５インチ（３８．１ｍｍ）幅、１インチ（２５．４ｍｍ）幅、１／２インチ（１２．７ｍｍ）幅、１／４インチ（６．３５ｍｍ）幅、１／８インチ（３．１７５ｍｍ）幅、が例示できる。

本発明に係る、幾何学的に生じる繊維余りを解消する一方向強化繊維基材により、賦形工程が容易になり、航空機産業や自動車産業に適用できる。また、ＡＦＰに用いる場合、特にステアリング性が必要な部位に適用できる。

１ 部分的に切込のある一方向強化繊維基材
２ 切込
２０ 切込列
２１ 切込部分の繊維配向方向に開いた長さ
２２ 切込部分の繊維直交方向に開いた長さ
３ 縦延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材
４ 縦延伸された切込
５ 横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材
６ 横延伸された切込
７ 縦横延伸された部分的に切込のある一方向強化繊維基材
８ 縦横延伸された切込
９ 巻取体
１０ 繊維の配向方向

Claims (7)

1. 部分的な切込が存在する、一方向強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグであって、繊維配向方向、繊維直交方向、または繊維配向方向および繊維直交方向に延伸させ、下記式で規定する延伸率が１％以上２０％以下となることを特徴とする一方向プリプレグ。
   繊維配向方向の延伸率（％）＝（切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）／（繊維長さＬ［ｍｍ］＋切込部分の繊維配向方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）＊１００
   繊維直交方向の延伸率（％）＝｛（切込部分の繊維直交方向に開いた長さの平均値［ｍｍ］）の繊維直交方向積算値｝／延伸後の一方向プリプレグの幅［ｍｍ］＊１００
2. 延伸後における前記切込と強化繊維とのなす角度θ°の絶対値が２〜２５°の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の一方向プリプレグ。
3. 強化繊維の繊維直交方向に、複数の前記切込が断続的に並ぶ切込列が設けられ、隣り合う前記切込列と繊維配向方向に対して線対称となる切込列が交互に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の一方向プリプレグ。
4. １つの切込列に着目した場合において、該切込列から繊維配向方向に最近接する、前記切込と強化繊維とのなす角度θ°が同一となる切込列との間における強化繊維の繊維長さＬが５〜３００ｍｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の一方向プリプレグ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の一方向プリプレグからなる巻取体。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の一方向プリプレグを積層した積層体。
7. 請求項６に記載の積層体をフォーミングし成形した成形体。