JP2020023182A - Reinforced-fiber base material, reinforced-fiber laminate, and fiber-reinforced resin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強化繊維基材、強化繊維積層体およびそれらからなる繊維強化樹脂に関する。 The present invention relates to a reinforced fiber base material, a reinforced fiber laminate, and a fiber reinforced resin comprising the same.
強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂(FRP)は、優れた力学特性、軽量化等の要求特性を満たすことから主に航空、宇宙、スポーツ用途に用いられてきた。これらの代表的な製造方法として、オートクレーブ成形法が知られている。かかる成形法では、強化繊維束群にマトリックス樹脂を予め含浸させたプリプレグを、成形型に積層してオートクレーブにて加熱・加圧し、FRPを成形する。プリプレグを用いると極めて信頼性の高いFRPが得られる利点があるが、製造に高いコストがかかる問題があった。 BACKGROUND ART A fiber reinforced resin (FRP) obtained by impregnating a reinforcing fiber with a matrix resin has been mainly used for aviation, space, and sports because it satisfies required characteristics such as excellent mechanical properties and weight reduction. As a typical production method thereof, an autoclave molding method is known. In such a molding method, a prepreg obtained by impregnating a reinforcing fiber bundle group with a matrix resin in advance is laminated on a molding die, and heated and pressed by an autoclave to form an FRP. The use of a prepreg has the advantage that an extremely reliable FRP can be obtained, but has the problem of high manufacturing costs.
一方、FRPの生産性に優れる成形法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング成形法(RTM)等の注入成形が挙げられる。RTM成形法は、マトリックス樹脂を予備含浸していないドライな強化繊維束群で構成される強化繊維基材を、成形型に積層して、液状で低粘度のマトリックス樹脂を注入することにより、後からマトリックス樹脂を含浸・固化させてFRPを成形する成形法である。 On the other hand, as a molding method excellent in productivity of FRP, for example, injection molding such as a resin transfer molding molding method (RTM) is exemplified. In the RTM molding method, a reinforcing fiber base composed of a group of dry reinforcing fiber bundles not pre-impregnated with a matrix resin is laminated on a molding die, and a liquid, low-viscosity matrix resin is injected into the mold. This is a molding method in which a matrix resin is impregnated and solidified to form an FRP.
注入成形法は、FRPの生産性には優れるが、マトリックス樹脂が低粘度である必要があるため、プリプレグに用いられる高粘度のマトリックス樹脂から成形されたFRPに比べて、力学特性を十分に発揮できない場合があった。 Although the injection molding method is excellent in the productivity of FRP, the matrix resin needs to have a low viscosity, so it exhibits sufficient mechanical properties compared to FRP molded from a high viscosity matrix resin used for prepreg. In some cases, it was not possible.
上記に対する解決手段として、例えば特許文献1や特許文献2に開示されるように、規定の目付を有する炭素繊維の一方向層と規定の厚みを有する熱可塑性繊維ウェブ(不織布)が合わされている中間材料が提案されている。しかしながら、これらの熱可塑性繊維ウェブを用いた場合、一定の力学特性を発揮することができると開示されているが、一部の熱可塑性繊維ウェブは耐熱性が低いため、FRPの高温時力学特性が十分に発現できないことがあった。 As a solution to the above, for example, as disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2, an intermediate layer in which a unidirectional layer of carbon fiber having a prescribed basis weight and a thermoplastic fiber web (nonwoven fabric) having a prescribed thickness are combined. Materials have been proposed. However, it is disclosed that when these thermoplastic fiber webs are used, certain mechanical properties can be exhibited. However, since some thermoplastic fiber webs have low heat resistance, the mechanical properties of FRP at high temperatures are disclosed. Was not fully expressed.
本発明は、かかる従来技術の課題を解決するものであり、具体的には、マトリックス樹脂の含浸性が良好で、耐衝撃性などの力学特性および高温時力学特性に優れる繊維強化樹脂を生産性良く得られるだけでなく、取扱性(特に、形態安定性)に優れた強化繊維基材および強化繊維積層体を提供せんとするものである。また、かかる強化繊維基材および強化繊維積層体から得られる繊維強化樹脂を提供せんとするものである。 The present invention solves the problems of the prior art, and specifically, provides a fiber-reinforced resin having good impregnating property of a matrix resin, excellent mechanical properties such as impact resistance and high-temperature mechanical properties. An object of the present invention is to provide a reinforced fiber base material and a reinforced fiber laminate which are not only well obtained but also excellent in handleability (particularly, form stability). Another object of the present invention is to provide a fiber-reinforced resin obtained from such a reinforcing fiber base material and a reinforcing fiber laminate.
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
(1)[1]:強化繊維糸条、[2]:強化繊維糸条を並行に引き揃えてなる強化繊維糸条群、[3]:[1]または[2]で構成される強化繊維布帛、のうちいずれかより選ばれる強化繊維集合体の少なくとも片側表面に樹脂材料が配置された強化繊維基材であって、前記樹脂材料は、ビカット軟化温度が70〜200℃の範囲にあることを特徴とする強化繊維基材。
(2)前記ビカット軟化温度が100〜180℃の範囲にある、(1)に記載の強化繊維基材。
(3)前記樹脂材料の形状がポーラス状である、(1)または(2)に記載の強化繊維基材。
(4)前記樹脂材料を、強化繊維基材に対して1〜20重量%の範囲で有している、(1)〜(3)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(5)前記樹脂材料が、非晶性ポリアミドである、(1)〜(4)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(6)前記樹脂材料が、イソフタル酸成分を含む半芳香族ポリアミドである、(1)〜(5)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(7)前記強化繊維糸条群が、複数の強化繊維糸条が並行に引き揃えられたシート状のものである、(1)〜(6)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(8)前記強化繊維糸条群が、オートメーテッドファイバープレイスメント装置により並行に引き揃え配置されたシート状のものである、(1)〜(6)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(9)前記強化繊維集合体が、強化繊維糸条を一方向に並行に引き揃えてなる強化繊維糸条群と、強化繊維糸条と交差する方向に延在する、繊度が強化繊維糸条の繊度の1/5以下である補助繊維糸条群とから構成される一方向性織物である、(1)〜(6)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(10)前記強化繊維集合体が、一方向に配列された前記強化繊維糸条群と、異なる方向に一方向に配列された強化繊維糸条群とから構成される二方向性織物である、(1)〜(6)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(11)前記強化繊維布帛が、一方向に配列された前記強化繊維糸条群と、異なる方向に一方向に配列された強化繊維糸条群との少なくとも2層以上が交差積層され、繊度が強化繊維糸条の1/5以下である補助繊維糸条群により縫合一体化されたステッチ布帛である、(1)〜(6)のいずれかに記載の強化繊維基材。
(12)強化繊維として(1)〜(11)のいずれかに記載の強化繊維基材を含む強化繊維積層体。
(13)熱融着またはステッチにより一体化されてなる(12)に記載の強化繊維積層体。
(14)強化繊維として(1)〜(11)のいずれかに記載の強化繊維基材または(12)または(13)に記載の強化繊維積層体を含む繊維強化樹脂。
(15)強化繊維体積含有率が53〜65%の範囲であり、SACMA−SRM−2R−94に記載されている衝撃付与後の常温圧縮強度が240MPa以上である、(14)に記載の繊維強化樹脂。
である。
The present invention employs the following means in order to solve such a problem. That is,
(1) [1]: Reinforcement fiber yarn, [2]: Reinforcement fiber yarn group in which reinforcement fiber yarns are aligned in parallel, [3]: Reinforcement fiber composed of [1] or [2] A reinforced fiber base material in which a resin material is disposed on at least one surface of a reinforced fiber aggregate selected from any of cloth, wherein the resin material has a Vicat softening temperature in a range of 70 to 200 ° C. A reinforced fiber substrate characterized by the following.
(2) The reinforcing fiber substrate according to (1), wherein the Vicat softening temperature is in a range of 100 to 180 ° C.
(3) The reinforcing fiber substrate according to (1) or (2), wherein the shape of the resin material is porous.
(4) The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (3), wherein the resin material has a content of 1 to 20% by weight based on the reinforcing fiber substrate.
(5) The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (4), wherein the resin material is an amorphous polyamide.
(6) The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (5), wherein the resin material is a semi-aromatic polyamide containing an isophthalic acid component.
(7) The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (6), wherein the reinforcing fiber yarn group is a sheet having a plurality of reinforcing fiber yarns arranged in parallel.
(8) The reinforcing fiber base material according to any one of (1) to (6), wherein the reinforcing fiber yarn group is in a sheet shape arranged and arranged in parallel by an automated fiber placement device.
(9) A group of reinforcing fiber yarns in which the reinforcing fiber aggregates are arranged in parallel in one direction, and a reinforcing fiber yarn extending in a direction intersecting the reinforcing fiber yarns. The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (6), which is a unidirectional woven fabric composed of an auxiliary fiber yarn group having a fineness of 1/5 or less.
(10) The reinforcing fiber aggregate is a bidirectional woven fabric composed of the reinforcing fiber yarn group arranged in one direction and the reinforcing fiber yarn group arranged in one direction in different directions. The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (6).
(11) In the reinforcing fiber fabric, at least two layers of the reinforcing fiber yarn group arranged in one direction and the reinforcing fiber yarn group arranged in one direction in different directions are cross-laminated, and the fineness is reduced. The reinforcing fiber substrate according to any one of (1) to (6), which is a stitched fabric stitched and integrated by an auxiliary fiber yarn group that is 1/5 or less of the reinforcing fiber yarn.
(12) A reinforced fiber laminate comprising the reinforced fiber substrate according to any one of (1) to (11) as reinforced fibers.
(13) The reinforcing fiber laminate according to (12), which is integrated by heat fusion or stitching.
(14) A fiber-reinforced resin comprising the reinforcing fiber base according to any one of (1) to (11) or the reinforcing fiber laminate according to (12) or (13) as the reinforcing fiber.
(15) The fiber according to (14), wherein the volume content of the reinforcing fiber is in the range of 53 to 65%, and the room-temperature compressive strength after impact application described in SACMA-SRM-2R-94 is 240 MPa or more. Reinforced resin.
It is.
本発明によれば、以下に詳述するとおり、形態安定性に優れるだけでなく、RTM成形時の樹脂含浸性に優れた強化繊維基材および強化繊維積層体が得られ、また成形後は耐衝撃性および耐熱性に優れたFRPを得ることができる。 According to the present invention, as described in detail below, a reinforced fiber base material and a reinforced fiber laminate not only having excellent morphological stability but also having excellent resin impregnation during RTM molding can be obtained. An FRP excellent in impact resistance and heat resistance can be obtained.
以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明における強化繊維基材11の一態様を説明する概略断面図である。この図に示す強化繊維基材11は、強化繊維集合体12の片面に樹脂材料13が配置された後、接着一体化されているものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating one embodiment of a reinforcing
強化繊維基材11は、強化繊維糸条、強化繊維糸条群、または強化繊維糸条もしくは強化繊維糸条群で構成される強化繊維布帛、のうちいずれかより選ばれる強化繊維集合体12の、少なくとも片側表面に樹脂材料13を有することが重要である。かかる樹脂材料13を少なくとも片側表面に存在させることにより、強化繊維基材11の幅や繊維配向などの形態安定性を向上させることができたり、強化繊維糸条群からなるシート状の強化繊維基材11の搬送時などの取扱性を向上させたりすることができる。
The reinforcing
また、後述する強化繊維基材11または強化繊維集合体12を積層した積層体(プリフォーム)を得る際の強化繊維集合体12同士の接着性を付与させることができたり、プリフォームに適度な剛性を付与させることができたり、プリフォームの中の強化繊維の目ズレを防止する等の形態安定効果を付与させることができる等、プリフォームの取扱性の向上ができる。
In addition, it is possible to impart adhesiveness between the reinforcing
特に、樹脂材料13は、強化繊維集合体12の層間に、後述するマトリックス樹脂を流動、拡散させるスペースを確保(マトリックス樹脂による強化繊維集合体12の層間の塑性変形能の付与)することができたり、樹脂材料13が強化繊維集合体12の層間に発生するクラックのストッパーとなる等、衝撃を受けた時に、強化繊維集合体12の層間の損傷を抑制することができ、特に優れた力学特性(特に衝撃後圧縮強度:CAI)を達成することができるという効果を発現する。その他にも、樹脂材料13がスペーサーとなって、強化繊維集合体12の層間にマトリックス樹脂の流路が確保され、注入成形に供した際にマトリックス樹脂の含浸が容易になるだけでなく、その含浸速度も速くなり、FRPの生産性により優れる、といった効果をも発現する。
In particular, the
かかる樹脂材料13は、強化繊維集合体12と接着し、少なくとも強化繊維集合体12の片側表面に存在していればよく、強化繊維集合体12の内部に存在(強化繊維糸条に浸透)していてもよい。好ましくは、前述の理由で強化繊維集合体12の表面にその50重量%以上、より好ましくは70重量%以上が偏在しているのが好ましい。また樹脂材料13と強化繊維束12とを接着する目的でバインダー成分を含んでいてもよく、例えば樹脂材料13より軟化点(融点やガラス転移温度Tg)の低い熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂を用いることも可能である。
The
また樹脂材料13はビカット軟化温度が70〜200℃の範囲であることが重要である。ここで本発明においてビカット軟化温度(VST)は、JIS K7206(2016)にしたがいA−50法で測定した値を指す。VSTが70℃未満であると、FRPの高温時機械物性が低下するため好ましくない。またVSTが200℃を超えるとマトリックス樹脂と樹脂材料13の接着性が低下し、FRPの力学特性(特にCAIやILSS[層間剪断強度])が低下する場合がある。さらに、樹脂材料13はビカット軟化温度が100〜180℃の範囲であることが好ましい。
It is important that the
また、樹脂材料13の形態はポーラス状であることが好ましい。本発明において、ポーラス状とは平面上の厚み方向に孔が空いている形状のことをいい、かかる形態のものであれば、強化繊維基材11の厚み方向にマトリックス樹脂や空気の流路が確保できるだけでなく、平面方向の繋がりがあるため、強化繊維糸条を用いた場合の幅安定性の向上や、強化繊維糸条群からなるシート状の強化繊維基材11の搬送時などの取扱性や、また強化繊維糸条群や布帛を用いた場合の基材の形態安定性を向上させることができる。かかるポーラス状の樹脂材料13としては、例えば不織布状、マット状、ネット状、メッシュ状、織物状、編物状、短繊維群状、穿孔フィルム状、多孔フィルム状などが挙げられる。中でも不織布、マットまたはメッシュは安価に入手でき、且つ平面方向にもマトリックス樹脂や空気の流路が形成されているため、上記の効果が高く発現するため好ましい。樹脂材料13が不織布である場合、構成する繊維の形態としては長繊維や短繊維が挙げられ、メルトブロー、スパンボンド、エアレイド、カーディング、抄紙などの方法によって製造されるが、特に限定はされない。また副成分として繊維同士を結着させるためのバインダー成分を含んでいてもよい。構成する繊維の繊維径は1μm以上100μm未満であることが好ましく、5μm以上80μm未満がより好ましく、10μm以上60μm未満がさらに好ましい。繊維径が1μm未満であると樹脂材料の表面積が大きくなるため、後述する樹脂含浸工程において樹脂の流動が妨げられることがあるため好ましくない。また繊維径が100μm以上であるとFRPとしたときの強化繊維基材層間の厚みが大きくなり、繊維体積含有率(Vf)が低下するため好ましくない。
Further, the form of the
本発明で使用する樹脂材料13は、強化繊維基材11の1〜20重量%であることが好ましい。好ましくは2〜18重量%、より好ましくは3〜16重量%である。樹脂材料13が、前記範囲で配置されていることにより、強化繊維基材11の形態安定性がもたらされ、取扱性に優れた強化繊維基材11を得ることが可能となる。1重量%未満であると強化繊維基材11の取扱性が低下するだけでなく、力学特性(特にCAI)の向上効果が小さくなるため好ましくない。また20重量%を超えると、FRPにしたときの強化繊維体積含有率が低くなりすぎたり、FRPの耐熱性、耐薬品性や圧縮強度が低下する場合があるので好ましくない。
The
樹脂材料13は耐熱性、耐衝撃性および加工の容易さの観点から非晶性ポリアミドであることが好ましい。ここで本発明において非晶性とは、示差走査熱量計(DSC)を用いて、JIS K7121(1987)にしたがい10℃/分の昇温速度で測定した結晶融解エンタルピーΔHmの値が5J/g未満のものを指す。
The
さらに樹脂材料13は、イソフタル酸成分を含む半芳香族ポリアミドであることが好ましい。イソフタル酸成分を含む半芳香族ポリアミドとしては、ポリアミド2I、ポリアミド4I、ポリアミド6I、ポリアミド9I、ポリアミド10I、ポリアミド12Iなどを挙げることができ、中でも吸水性や柔軟さの観点からポリアミド6I、ポリアミド9I、ポリアミド10I、ポリアミド12Iなどメチレン鎖部分が長いものが好ましい。かかる樹脂材料13は、FRP成形時に溶融することでFRP層間に靭性の高い層を形成することができ、力学特性(特にCAIやILSS[層間剪断強度])を高めることができる。
Further, the
また樹脂材料13が成形時溶融したときに、FRPのマトリックス樹脂との相溶性が低いと、樹脂材料13とマトリックス樹脂との界面において剥離が発生し、力学特性の向上効果が満足に得ることができないことがある。したがって樹脂材料13とマトリックス樹脂との溶解度パラメータ差の絶対値は5以下、好ましくは3以下であることが好ましい。なお樹脂材料13の溶解度パラメータは下記(1)式によって求められる。当該方法は“福本修 編(1988)『ポリアミド樹脂ハンドブック』日刊工業新聞社”に記載されている。
Further, when the compatibility of the FRP with the matrix resin is low when the
ここで、
M:分子量
ρ:密度
ΔH:アミド基間相互作用
T:温度。
here,
M: molecular weight ρ: density ΔH: amide group interaction T: temperature.
またマトリックス樹脂の溶解度パラメータはフェダーズ(Fedors)の方法により決定される25℃の温度におけるポリマーの繰り返し単位の値により求められる。当該方法は、F.Fedors,Polym.Eng.Sci.,14(2),147(1974)に記載されている。 本発明における強化繊維糸条は、マルチフィラメント糸であってガラス繊維糸、有機(アラミド、PBO、PVA、PE等)繊維糸、炭素繊維(PAN系、ピッチ系等)糸等である。炭素繊維は比強度および比弾性率に優れ、殆ど吸水しないので、航空機構造材や自動車の強化繊維として好ましく用いられる。 The solubility parameter of the matrix resin is determined by the value of the repeating unit of the polymer at a temperature of 25 ° C. determined by the method of Fedors. The method is described in F.S. Fedors, Polym. Eng. Sci. , 14 (2), 147 (1974). The reinforcing fiber yarns in the present invention are multifilament yarns such as glass fiber yarns, organic (aramid, PBO, PVA, PE, etc.) fiber yarns, carbon fiber (PAN-based, pitch-based, etc.) yarns and the like. Carbon fibers are excellent in specific strength and specific elastic modulus and hardly absorb water, and therefore are preferably used as reinforcing fibers for aircraft structural materials and automobiles.
本発明に使用する強化繊維糸条は3,000〜50,000フィラメントであることが好ましく、取扱性の観点から12,000〜24,000フィラメントであるのが特に好ましい。強化繊維糸条の形態は特に限定されないが、糸条の幅や厚みの安定性に優れる無撚糸であることが好ましく、さらに繊維配向に優れる開繊糸であることが好ましい。 The reinforcing fiber yarn used in the present invention preferably has 3,000 to 50,000 filaments, and particularly preferably 12,000 to 24,000 filaments from the viewpoint of handleability. The form of the reinforcing fiber yarn is not particularly limited, but is preferably a non-twisted yarn having excellent stability in width and thickness of the yarn, and more preferably an opened fiber having excellent fiber orientation.
ここで、本発明における強化繊維基材は[1]:強化繊維糸条、[2]:強化繊維糸条を並行に引き揃えてなる強化繊維糸条群、または[3]強化繊維糸条もしくは強化繊維糸条群で構成される強化繊維布帛、のうちいずれかより選ばれる強化繊維集合体からなることが重要である。 Here, the reinforcing fiber base in the present invention is [1]: reinforcing fiber yarn, [2]: reinforcing fiber yarn group in which reinforcing fiber yarns are aligned in parallel, or [3] reinforcing fiber yarn or It is important to form a reinforcing fiber aggregate selected from any one of the reinforcing fiber fabrics composed of the reinforcing fiber yarn group.
まず、[1]:強化繊維糸条からなる強化繊維基材21は、例えば図2に例示する装置を使用して作成される。詳しくは、ボビン20から引き出された強化繊維糸条22は、開繊ユニット201により開繊、幅規制ローラ202にて所望の幅に調整した後、あらかじめ所望の幅にスリットした樹脂材料23(好ましくは、ポーラス状樹脂材料)と重ね合わせ、ヒーター203により加熱、プレスロール204により圧着することにより作成される。開繊ユニット201は振動ローラなどにより構成され、強化繊維糸条22の進行方向に対して直行する鉛直方向や水平方向に振動を加える機構を備える。また開繊ユニット201は、強化繊維糸条22表面に付着したサイジング剤を軟化させるためのヒーター(図示せず)を備えていても良い。このとき、ボビン20から引き出された強化繊維糸条22の糸幅をw0とすると、開繊後の強化繊維糸条22の幅はw1(w0<w1)に拡幅され、その後幅規制ローラ202によって幅w2(w1>w2)に調整される。w2は強化繊維基材21に求められる目付に応じて調整することが好ましい。また強化繊維基材21の幅精度を向上させるため、プレスロール204は溝付き構造とすることが好ましい。
First, [1]: the reinforcing
かかる装置により作成された強化繊維基材21は、幅や目付の安定性が良く、また繊維配向にも優れるため、FRPの力学特性(特に圧縮強度)向上に寄与することができる。また樹脂材料23は強化繊維糸条群の両面に配置すると、強化繊維基材21の形態安定性がさらに向上するため好ましい。
The reinforcing
次に、[2]:強化繊維糸条群からなる強化繊維基材21は、強化繊維糸条22からなる強化繊維基材の作成方法と同様に、例えば図2に例示する装置に複数のボビン20を掛け、複数の強化繊維糸条22を並行に引き揃えながら引き出すことにより作成される。ここで、並行に引き揃えるとは、隣接する強化繊維糸条22同士が、実質的に交差または交錯しない様に引き揃えることをいい、好ましくは、隣接する2本の強化繊維糸条を100mmの長さの範囲で直線に近似したとき、近似した直線が形成する角度が5°以下、さらに好ましくは2°以下となるよう引き揃えることである。ここで、強化繊維糸条22を直線に近似するとは、100mmの起点と終点とを結んで直線を形成することをいう。また隣接する強化繊維糸条22同士は、求められる強化繊維基材21の目付に応じて一定の間隔を隔てていてもよく、重なり合っていてもよい。一定の間隔を隔てる場合、間隔は強化繊維糸条22幅の200%以下であることが好ましく、重なり合っている場合は強化繊維糸条22幅の100%重なっていてもよい。このように並行に引き揃えながら引き出された強化繊維糸条群は、開繊ユニットを通過することにより、幅方向の目付を均一に分布させることが好ましい。また、かかる強化繊維糸条群から作られた強化繊維基材21は、必要であればスリットを行い、任意の幅に制御することも可能である。
Next, [2]: a reinforcing
[3]強化繊維糸条もしくは強化繊維糸条群で構成される強化繊維布帛については後述する。 [3] The reinforcing fiber fabric composed of the reinforcing fiber yarns or the group of the reinforcing fiber yarns will be described later.
また、強化繊維糸条22および強化繊維糸条群を使用した強化繊維基材21は、オートメーテッドファイバープレイスメント(AFP)やオートメーテッドテープレイアップ(ATL)装置が好適に用いられる。かかる装置は強化繊維基材21の廃棄率削減や積層工程自動化を目的として使用されるが、配置後の幅や繊維配向などが厳しく求められるため、強化繊維基材21の形態安定性が重要になる。ここで本発明に用いるポーラス状樹脂材料23はポーラス状の形態をしているため、平面方向の繋がりにより幅安定性や形態安定性に優れるため、AFPやATLに好適に用いることができる。
As the reinforcing
さらに本発明における強化繊維糸条群の別の態様としては、AFPやATLにより並行に引き揃え配置されたシート状のものも挙げられる。図3は本発明に用いられる強化繊維糸条群の一態様を示すものであり、強化繊維糸条32はAFPヘッド300によって供給され、並行に引き揃え配置される。かかる強化繊維糸条群31に、ポーラス状樹脂材料(図示せず)を重ね合わせるように配置し、遠赤外ヒーターなどにより加熱接着することで、強化繊維基材を得ることができる。AFPやATLによって引き揃え配置されたシート状の強化繊維糸条群31は、繊維方向と交差する方向に拘束が無いため、搬送の際に強化繊維糸条群31の形態が崩れる問題がある。かかる問題に対し、ポーラス状樹脂材料を配置し接着することで、繊維方向と交差する方向の拘束力が生まれ、搬送の問題を解決することができる。また、AFPやATLによって強化繊維糸条32を引き揃え配置する際の強化繊維糸条32同士の間隔は0.5〜2mmであることが好ましい。間隔が0.5mm未満の場合、RTM成形時の樹脂含浸性が十分でなくなることがある。また間隔が2mmを超えると、複数枚の強化繊維基材を積層した際に、上層の強化繊維が下層の強化繊維糸条32間に落ち込み、厚さ方向のうねりが発生し力学特性(特に圧縮強度)が低下することがある。
Further, as another embodiment of the reinforcing fiber yarn group in the present invention, there is a sheet-like one arranged in parallel by AFP or ATL. FIG. 3 shows an embodiment of a group of reinforcing fiber yarns used in the present invention. The reinforcing
次に[3]強化繊維糸条もしくは強化繊維糸条群で構成される強化繊維布帛としては、織物(一方向性、二方向性、多軸)、編物、組物、一方向に引き揃えられたシート(一方向シート)、一方向シートを2層以上重ね合わせた多軸シート等が挙げられる。このような強化繊維集合体はステッチ糸、結節糸、粗布、バインダー等の樹脂等による各種接合手段により複数のものを一体化したものであってもよい。特に輸送機器(特に航空機)の構造(特に一次構造)部材として用いる場合には、一方向シート、一方向性織物、または多軸シート(特にステッチ接合したもの)であるのが好ましい。 [3] Reinforcing fiber fabrics composed of reinforcing fiber yarns or a group of reinforcing fiber yarns include woven fabrics (unidirectional, bidirectional, multiaxial), knits, braids, and unidirectionally aligned. Sheet (unidirectional sheet), a multiaxial sheet in which two or more unidirectional sheets are stacked, and the like. A plurality of such reinforcing fiber aggregates may be integrated by various joining means such as a resin such as a stitch thread, a knotting thread, a sack cloth, and a binder. In particular, when used as a structure (especially a primary structure) member of a transportation device (especially an aircraft), a unidirectional sheet, a unidirectional woven fabric, or a multiaxial sheet (especially stitched) is preferable.
図4は、本発明に用いる強化繊維布帛としての一方向性織物41の一態様を示す概略斜視図である。強化繊維糸条42および経補助糸43が強化繊維集合体41の長さ方向、つまりたて方向に配列し、よこ方向には強化繊維糸条42より細い緯補助糸44が配列し、経補助糸43と緯補助糸44が交錯し、図4に示す織組織を有する一方向性織物である。かかる補助糸43としては低収縮性のものであることが好ましく、例えば、ガラス繊維糸、アラミド繊維糸、炭素繊維糸等が挙げられ、補助糸の繊度(単位長さあたりの重量)は強化繊維糸条の1/5以下であるのが好ましい。1/5を超えると、補助糸が太くなるので、補助糸によって強化繊維糸条がクリンプし、FRPにした際に若干強化繊維の強度低下をもたらす。一方、強化繊維集合体の形態安定性、製造安定性の面から、補助糸の繊度は強化繊維糸条の0.05%以上であるのが好ましい。上記範囲の繊度であると、強度低下を最小限にし、かつ成形の際に経補助糸によって形成される強化繊維糸条42の間隙が樹脂流路となり、マトリックス樹脂の含浸が促進できるので好ましい。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing one embodiment of a unidirectional woven
図5は、本発明に用いる強化繊維布帛としての二方向性織物51の一態様を示す概略斜視図である。強化繊維糸条52が二方向性織物51の長さ方向、つまりたて方向に配列し、よこ方向に強化繊維糸条53が配列し、たて糸52とよこ糸53が交錯し、図5に示す織組織を有する二方向性織物である。
FIG. 5 is a schematic perspective view showing one embodiment of a bidirectional woven
図6は、本発明に用いる強化繊維布帛としてのステッチ布帛61の一態様を示す概略斜視図である。ステッチ布帛61の下面から、まず長さ方向イに対して斜め方向に多数本の強化繊維糸条が並行に配列して+α°層62を構成し、次いで強化布帛の幅方向に多数本の強化繊維糸条が並行に配列して90°層63を構成し、次いで斜め方向に多数本の強化繊維糸条が並行に配列して−α°層64を構成し、次いで強化布帛の長さ方向に多数本の強化繊維糸条が並行に配列して0°層65を構成し、互いに配列方向が異なる4つの層が積層された状態で、ステッチ糸66でこれら4層が縫合一体化されている。縫合一体化にあたってのステッチ糸66が形成する縫い組織としては、例えば単環縫い、1/1のトリコット編みが挙げられる。ステッチ糸の材料としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ビニルアルコール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアラミド樹脂、それらの組成物等から選ぶことができる。中でも、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂であると好ましい。布帛の賦型性の観点からは、スパンデックス(ポリウレタン弾性繊維)、ポリアミド樹脂またはポリエステル樹脂の加工糸であることが好ましい。ステッチ糸の繊度は強化繊維糸条のクリンプを抑制するために強化繊維糸条の1/5以下であることが好ましい。また強化繊維集合体の形態安定性、製造安定性の面から10dtex以上、より好ましくは30dtex以上であることが好ましい。さらに、後述するプリフォーミング工程での賦形性の観点から、ステッチ糸は伸縮性を有することが好ましい。なお、図6で、断面形状が楕円状に示されている強化繊維の集合体が1糸条で、この強化繊維糸条間にステッチ糸66が配列しているかに見えるが、ステッチ糸66は強化繊維糸条に対してはランダムに挿入され、楕円状に示されている強化繊維の集合体はステッチ糸66の拘束によって形成されているのである。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing one embodiment of a
ここで、図6に示した多軸ステッチ布帛61の強化繊維の構成は+α°層/90°層/−α°層/0°層の4層構成について説明したが、これに限定するものではない。たとえば0°層/90°層、+α°層/−α°層、0°層/+α°層などからなる2層、+α°層/0°層/−α°層、+α°層/−α°層/0°層などからなる3層、また、0°層/+α°層/0°層/−α°層/90°層/−α°層/0°層/+α°層/0°層のように、0°層が多く含まれるような、0°、+α°、−α°、90゜の4方向を含むものであってもよい。また、0°、+α°、−α°、90゜のいずれかを含むものであってもよい。なお、バイアス角α゜は、ステッチ布帛をFRPの長さ方向に積層し、強化繊維による剪断補強を効果的に行う観点から45゜が好ましい。
Here, the configuration of the reinforcing fiber of the
本発明における強化繊維基材の好ましい1層当たりの目付は50〜800g/m2の範囲内である。より好ましくは100〜500g/m2、更に好ましくは120〜300g/m2の範囲内である。50g/m2未満であると所定のFRPの厚みを得るための積層枚数が増え、成形の作業性が悪く好ましくない。また、一層当たりの目付が小さいと、層内の強化繊維糸条と強化繊維糸条の間に隙間ができ、強化繊維体積含有率Vfが部分的に不均一となり、成形すると強化繊維体積含有率Vfが大きなところはFRPが厚くなり、また強化繊維体積含有率Vfが小さなところはFRPが薄くなり、表面が凸凹したFRPとなる。このような場合には、製織寸前やステッチ糸による一体化加工前に、または/および強化布帛加工後に強化繊維糸条を振動ローラやエアー・ジェット噴射で薄く拡げると、強化布帛の全面にわたり強化繊維の体積比が均一となり、表面が平滑なFRPが得られるので好ましい。また、800g/m2を超えるとマトリックス樹脂の含浸性が悪くなるので好ましくない。 The preferable weight per layer of the reinforcing fiber base in the present invention is in the range of 50 to 800 g / m 2 . It is more preferably in the range of 100 to 500 g / m 2 , and still more preferably in the range of 120 to 300 g / m 2 . If it is less than 50 g / m 2 , the number of laminated layers for obtaining a predetermined FRP thickness increases, and the molding workability is poor, which is not preferable. Further, when the basis weight per layer is small, a gap is formed between the reinforcing fiber yarns in the layer and the reinforcing fiber volume content Vf becomes partially non-uniform, and when molded, the reinforcing fiber volume content Vf is increased. Where the Vf is large, the FRP becomes thick, and where the reinforcing fiber volume content Vf is small, the FRP becomes thin, resulting in an FRP having an uneven surface. In such a case, if the reinforcing fiber yarn is spread thinly by a vibrating roller or air jet injection just before weaving, before the integration processing by the stitch yarn, and / or after the processing of the reinforcing fabric, the reinforcing fiber is extended over the entire surface of the reinforcing fabric. Is preferable because the volume ratio becomes uniform and FRP having a smooth surface can be obtained. On the other hand, when it exceeds 800 g / m 2 , the impregnating property of the matrix resin is deteriorated, which is not preferable.
次に、本発明における強化繊維積層体について説明する。本発明における強化繊維基材はFRP成形に先立って、所望とする厚みに達するまで複数枚積層を行い、強化繊維積層体を形成する。本発明において、強化繊維積層体の取扱性や形態安定性を付与するために熱融着やステッチにより一体化されていることが好ましい。 Next, the reinforcing fiber laminate of the present invention will be described. Prior to FRP molding, a plurality of reinforcing fiber substrates are laminated until a desired thickness is reached to form a reinforcing fiber laminate. In the present invention, the reinforcing fiber laminates are preferably integrated by heat fusion or stitching in order to impart handleability and form stability.
また本発明における強化繊維積層体は、目的とする炭素繊維強化樹脂成形体の形態に合わせて、前記炭素繊維積層基材に対して賦形型や治具等を用いて立体形状を付与し、形状固着したプリフォームとすることもできる。特に、成形型が立体形状である場合において、このようにすることによって、型締め時、あるいは、樹脂注入・含浸時の繊維乱れやしわの発生を容易に抑制することができる。 Further, the reinforcing fiber laminate in the present invention, in accordance with the form of the desired carbon fiber reinforced resin molded article, imparts a three-dimensional shape to the carbon fiber laminated substrate using a shaping mold or a jig, A preform having a fixed shape can also be used. In particular, when the molding die has a three-dimensional shape, by doing so, it is possible to easily suppress the occurrence of fiber turbulence and wrinkles at the time of mold clamping or at the time of resin injection / impregnation.
次に、本発明のFRPについて説明する。本発明のFRPは、上述の強化繊維積層体にマトリックス樹脂が含浸したものである。かかるマトリックス樹脂は必要に応じて固化(硬化または重合)される。かかるマトリックス樹脂の好ましい例としては、例えば、熱硬化性樹脂、RIM(Reaction Injection Molding)用熱可塑性樹脂等が挙げられるが、中でも注入成形に好適であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂およびベンゾオキサジン樹脂から選ばれる少なくとも1種であるのが好ましい。 Next, the FRP of the present invention will be described. The FRP of the present invention is obtained by impregnating the above-mentioned reinforcing fiber laminate with a matrix resin. Such a matrix resin is solidified (cured or polymerized) as necessary. Preferable examples of such a matrix resin include, for example, a thermosetting resin, a thermoplastic resin for RIM (Reaction Injection Molding), and among them, an epoxy resin, a phenol resin, a vinyl ester resin, and a non-ionic resin suitable for injection molding. It is preferably at least one selected from a saturated polyester resin, a cyanate ester resin, a bismaleimide resin and a benzoxazine resin.
また、本発明のFRPは優れた力学特性を有し、かつ軽量であるため、その用途が航空機、自動車、船舶の輸送機器のいずれかにおける一次構造部材、二次構造部材、外装部材または内装部材であることが好ましい。 Further, since the FRP of the present invention has excellent mechanical properties and is light in weight, its use is intended for primary structural members, secondary structural members, exterior members or interior members in any of aircraft, automobiles and marine transportation equipment. It is preferred that
次に、本発明における強化繊維基材を用いたFRPの成形方法について説明する。
本発明における強化繊維基材のうち、強化繊維糸条や強化繊維糸条群からなる強化繊維基材は、AFPやATL装置によって所望の形状に引き揃え配置される。
Next, a method of forming an FRP using the reinforcing fiber base in the present invention will be described.
Among the reinforcing fiber bases in the present invention, the reinforcing fiber bases composed of the reinforcing fiber yarns and the group of the reinforcing fiber yarns are arranged in a desired shape by an AFP or ATL device.
かかる配置工程は、2次元平面形状で行われてもよいし、3次元形状で行われてもよい。2次元平面形状の場合は、1層毎に強化繊維基材を配置した後、ポーラス状の樹脂材料を配置・接着することで、1層毎の搬送が容易なシート状の強化繊維基材を作成することができ、別で用意している賦形用金型に、引き揃え配置された状態の形状を崩さず搬送することが可能となる。このとき配置するポーラス状の樹脂材料に少なくとも部分的に切れ込みが入っていると、後述するプリフォーミング工程での賦形性がより良好になるため好ましい。また搬送手段としては、静電気や吸引、針刺しなどの方法による搬送手段を用いることができる。 Such an arrangement step may be performed in a two-dimensional plane shape or in a three-dimensional shape. In the case of a two-dimensional planar shape, after arranging the reinforcing fiber base material for each layer, a porous resin material is arranged and bonded to form a sheet-like reinforcing fiber base material that can be easily transported for each layer. It can be created and can be transported to a separately prepared shaping mold without breaking the shape of the aligned and arranged state. At this time, it is preferable that the porous resin material to be disposed has at least a partial cut, because the shapeability in a preforming step described later becomes better. Further, as the transport means, a transport means using a method such as static electricity, suction, or needle sticking can be used.
また1層毎に作成したシート状の強化繊維基材は、更に取扱性を良くするため、複数の層を重ね合わせて熱融着もしくはステッチにより一体化した強化繊維積層体としてもよい。このとき、2層目以降のn層目の強化繊維基材の配置方向を、n−1層目の配置方向とは異なる方向とすることにより、布帛と同様に扱うことができる複数層の強化繊維積層体とすることができる。かかる強化繊維基材の一体化工程は、強化繊維基材が重なり合っている全面に行われても良いし、部分的に行われていても良い。全面で一体化されていると強化繊維基材の形態安定性に優れる。一方、部分的に一体化されていると、後述するプリフォーミング工程において成形品形状への賦形の際に変形がしやすい(すなわち賦形性が良い)。よって成形品形状の複雑さによって、これらを任意に使い分けることが好ましい。 In addition, the sheet-like reinforcing fiber base material formed for each layer may be a reinforcing fiber laminate in which a plurality of layers are stacked and integrated by heat fusion or stitching in order to further improve the handleability. At this time, by setting the arrangement direction of the reinforcing fiber base material of the nth layer after the second layer to a direction different from the arrangement direction of the (n-1) th layer, the reinforcement of a plurality of layers that can be handled in the same manner as a fabric It can be a fiber laminate. The step of integrating the reinforcing fiber bases may be performed on the entire surface where the reinforcing fiber bases overlap, or may be partially performed. When integrated over the entire surface, the reinforced fiber substrate has excellent shape stability. On the other hand, if they are partially integrated, they are likely to be deformed (that is, have good shapeability) during shaping into a molded product shape in a preforming step described later. Therefore, it is preferable to use these arbitrarily depending on the complexity of the shape of the molded product.
ここで、本発明における強化繊維基材は、(樹脂材料の付着していない)強化繊維糸条をAFPやATL装置によって所望の形状に引き揃え配置した強化繊維糸条群に、ポーラス状の樹脂材料を配置・接着したものも含むことができる。このことにより、耐衝撃性などの特性を有していない炭素繊維糸条に対しても耐衝撃性などの特性を付与することができる。 Here, the reinforcing fiber base in the present invention is formed by adding a porous resin to a reinforcing fiber yarn group in which reinforcing fiber yarns (with no resin material attached) are arranged in a desired shape by an AFP or ATL device. It can also include one in which materials are arranged and bonded. This makes it possible to impart properties such as impact resistance to carbon fiber yarns having no properties such as impact resistance.
更に、1層目の強化繊維基材を配置した後、同じ平面上で2層目以降の配置を繰り返しても良い。かかる配置工程ではAFPやATL装置のヘッド部分にヒーターを設け、強化繊維基材表面の樹脂材料を溶融しながら2層目以降の強化繊維基材を配置することにより、強化繊維基材の配置工程と一体化工程の一括化ができる。このとき、2層目以降のn層目の強化繊維基材の配置方向を、n−1層目の配置方向とは異なる方向とすることにより、布帛と同様に扱うことができる複数層の強化繊維積層体とすることができる。 Furthermore, after arranging the first-layer reinforcing fiber base material, the arrangement of the second and subsequent layers may be repeated on the same plane. In this arrangement step, a heater is provided in the head portion of the AFP or ATL apparatus, and the second and subsequent layers of the reinforcement fiber base are arranged while melting the resin material on the surface of the reinforcement fiber base. And the integration process can be integrated. At this time, by setting the arrangement direction of the reinforcing fiber base material of the nth layer after the second layer to a direction different from the arrangement direction of the (n-1) th layer, the reinforcement of a plurality of layers that can be handled in the same manner as a fabric It can be a fiber laminate.
また本発明における強化繊維基材のうち、強化繊維集合体からなる強化繊維基材、および強化繊維糸条群の層間に樹脂材料を含む強化繊維積層体は、成形品形状に合わせて所望の形状にカットして用いられる。 Further, among the reinforcing fiber substrates in the present invention, the reinforcing fiber substrate comprising a reinforcing fiber aggregate, and the reinforcing fiber laminate including a resin material between layers of the reinforcing fiber yarn group have a desired shape in accordance with the shape of a molded product. Used for cutting.
このように作成した強化繊維基材もしくは強化繊維積層体は、1層ずつ、もしくは複数層を所望の角度構成で積層したのち、プリフォーミング工程を実施しプリフォームを作成する。プリフォーミング工程は樹脂材料のビカット軟化温度―30℃〜ビカット軟化温度+30℃の範囲で加熱するのが望ましい。加熱温度が低いと樹脂材料が充分に軟化せずプリフォームの形態固定が成されないことがある。また加熱温度が高いと樹脂材料が強化繊維基材に浸透し、マトリックス樹脂の含浸性が悪くなることがある。 The reinforcing fiber base material or the reinforcing fiber laminate thus formed is laminated one by one or a plurality of layers at a desired angle configuration, and then a preforming step is performed to form a preform. In the preforming step, it is desirable to heat the resin material in the range of Vicat softening temperature -30 ° C to Vicat softening temperature + 30 ° C. If the heating temperature is low, the resin material is not sufficiently softened, and the shape of the preform may not be fixed. In addition, when the heating temperature is high, the resin material penetrates the reinforcing fiber base material, and the impregnation property of the matrix resin may deteriorate.
本発明のFRPの成形は、所謂樹脂注入成形によって行われ、RTM(Resin Transfer Molding)成形やVaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding)成形が好ましく適用される。本発明における強化繊維基材の少なくとも片面に配置されたポーラス状の樹脂材料は、強化繊維基材内部の空気を排出する際の流路(エアパス)としての機能や、樹脂拡散媒体としての機能を発揮する。したがって成形品内部品質の向上や、樹脂注入工程の高速化が実現できる。また本発明における強化繊維基材の少なくとも片面に配置されたポーラス状の樹脂材料は平面方向の繋がりがあるため、高圧で樹脂を注入した際の強化繊維基材の変形を防ぐことができる。 The molding of the FRP of the present invention is performed by so-called resin injection molding, and RTM (Resin Transfer Molding) molding or VaRTM (Vacuum assisted Resin Transfer Molding) molding is preferably applied. The porous resin material disposed on at least one surface of the reinforcing fiber base in the present invention has a function as a flow path (air path) when discharging air inside the reinforcing fiber base and a function as a resin diffusion medium. Demonstrate. Therefore, it is possible to improve the internal quality of the molded product and to speed up the resin injection process. In addition, since the porous resin material disposed on at least one side of the reinforcing fiber base in the present invention has a connection in a planar direction, it is possible to prevent deformation of the reinforcing fiber base when resin is injected at a high pressure.
本発明のFRPは、強化繊維体積含有率(Vf)が53〜65%の範囲であり、SACMA−SRM−2R−94に記載されている衝撃付与後の常温圧縮強度が240MPa以上であることが好ましい。なお、Vf(単位はvol%)とは、繊維強化樹脂において強化繊維が占める体積比率のことを指し、具体的には次式によって定義され、ここで用いた記号は下記に示すとおりである。
Vf=(W×100)/(ρ×T)
W:強化繊維基材1cm2当たりの強化繊維の重量(g/cm2)
ρ:強化繊維の密度(g/cm3)
T:繊維強化樹脂の厚さ(cm)
The FRP of the present invention has a reinforcing fiber volume content (Vf) in the range of 53 to 65%, and has a room temperature compressive strength of 240 MPa or more after impact application described in SACMA-SRM-2R-94. preferable. In addition, Vf (unit is vol%) indicates a volume ratio occupied by the reinforcing fibers in the fiber reinforced resin, and is specifically defined by the following formula, and the symbols used here are as shown below.
Vf = (W × 100) / (ρ × T)
W: Weight of reinforcing fiber per 1 cm 2 of reinforcing fiber substrate (g / cm 2 )
ρ: density of reinforcing fiber (g / cm 3 )
T: thickness of fiber reinforced resin (cm)
繊維強化樹脂のVfが53〜65%の範囲であると、繊維強化樹脂の優れた力学特性を最大限に発現することができる。Vfが53%未満であると、軽量化効果に劣り、65%を超えると、上述の注入成形での成形が困難となるほか、力学特性(特に耐衝撃性)が低下する場合がある。すなわち、かかるVf範囲において、繊維強化樹脂のSACMA−SRM−2R−94に記載されている衝撃付与後の常温圧縮強度が240MPa以上であると、軽量化効果と力学特性とを共に満足する材料とすることができる。かかる要件を満たす繊維強化樹脂においては、その優れた力学特性と軽量化効果から、多岐の用途にわたって利用される。特に限定されないが、航空機、自動車、または、船舶等の輸送機器における一次構造部材、二次構造部材、外装部材、内装部材もしくはそれらの部品等に用いられ、その効果を最大限に発現する。 When the Vf of the fiber reinforced resin is in the range of 53 to 65%, the excellent mechanical properties of the fiber reinforced resin can be maximized. If Vf is less than 53%, the effect of reducing the weight is inferior, and if it exceeds 65%, the above-mentioned injection molding becomes difficult, and the mechanical properties (particularly, impact resistance) may decrease. That is, in such a Vf range, when the room-temperature compressive strength after impact application described in SACMA-SRM-2R-94 of the fiber-reinforced resin is 240 MPa or more, a material that satisfies both the weight-reducing effect and the mechanical properties can be obtained. can do. Fiber reinforced resins satisfying such requirements are used in a wide variety of applications because of their excellent mechanical properties and lightening effects. Although it is not particularly limited, it is used as a primary structural member, a secondary structural member, an exterior member, an interior member, or a part thereof in a transportation device such as an aircraft, an automobile, or a ship, and the effects are maximized.
なお、SACMAとは、Suppliers of Advanced Composite Materials Associationの略であり、SACMA−SRM−2R−94とは、ここが定める試験法の規格である。衝撃付与後の常温圧縮強度とは、SACMA−SRM−2R−94に従って、Dry条件にて270インチポンドの衝撃エネルギーにおいて測定されたものである。 Note that SACMA is an abbreviation for Suppliers of Advanced Composite Materials Association, and SACMA-SRM-2R-94 is a test method standard defined here. Cold compressive strength after impact is measured at an impact energy of 270 in-lb under Dry conditions according to SACMA-SRM-2R-94.
以下、実施例を用いて本発明を更に説明する。実施例および比較例に用いた原材料および成形方法は、次の通りである。なお、本発明はこれら実施例および比較例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be further described using examples. Raw materials and molding methods used in Examples and Comparative Examples are as follows. The present invention is not limited to these Examples and Comparative Examples.
<高温時圧縮強度>
SACMA−SRM−1R−94に従って測定した。
<Compression strength at high temperature>
It was measured according to SACMA-SRM-1R-94.
〔実施例1〕
<強化繊維糸条>
炭素繊維糸条として、PAN系炭素繊維、24,000フィラメント、引張強度:6.0GPa、引張弾性率:294GPaのものを用いた。
[Example 1]
<Reinforcing fiber yarn>
PAN-based carbon fiber, 24,000 filaments, tensile strength: 6.0 GPa, and tensile modulus of elasticity: 294 GPa were used as carbon fiber yarns.
<樹脂材料>
ヘキサメチレンジアミンとイソフタル酸を等モル比重合し、ポリアミド6Iを調製した。ビカット軟化温度は130℃であった。
<Resin material>
Hexamethylenediamine and isophthalic acid were polymerized in equimolar ratio to prepare polyamide 6I. The Vicat softening temperature was 130 ° C.
<ポーラス状樹脂材料>
上記樹脂材料をメルトブロー装置により不織布化した。目付は10g/m2であった。
<Porous resin material>
The resin material was formed into a nonwoven fabric by a melt blow device. The basis weight was 10 g / m 2 .
<マトリックス樹脂>
次の主液100重量部に、次の硬化液を39重量部加え、80℃にて均一に様に撹拌したエポキシ樹脂組成物とした。
<Matrix resin>
39 parts by weight of the following curing liquid was added to 100 parts by weight of the following main liquid, and the mixture was uniformly stirred at 80 ° C. to obtain an epoxy resin composition.
主液:エポキシとして、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン型エポキシ(“アラルダイト”(登録商標)MY−721、ハンツマン・ジャパン(株)製)40重量部、液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂(“EPON”(登録商標)825、三菱化学(株)製)35重量部、ジグリシジルアニリン(GAN、日本化薬(株)製)15重量部、および、トリグリシジルアミノフェノール型エポキシ樹脂(“jER”(登録商標)630、三菱化学(株)製)10重量部をそれぞれ計り取り、70℃で1時間攪拌して均一溶解させた。 Main liquid: 40 parts by weight of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane type epoxy (“Araldite” (registered trademark) MY-721, manufactured by Huntsman Japan KK) as an epoxy, liquid bisphenol A type epoxy resin (“EPON” (registered trademark)) 825, 35 parts by weight, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), 15 parts by weight of diglycidylaniline (GAN, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and a triglycidylaminophenol type epoxy resin (“jER” (registered trademark) 630; (10 parts by weight, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) were weighed out and stirred at 70 ° C. for 1 hour to uniformly dissolve.
硬化液:変性芳香族ポリアミン(“jERキュア”(登録商標)W、三菱化学(株)製)70重量部、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン(三井化学ファイン(株)製)20重量部、および、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン(“セイカキュア”S、セイカ(株)製)10重量部、それぞれ計り取り、100℃で1時間攪拌して均一にした後に70℃に降温して、硬化促進剤として、t−ブチルカテコール(DIC−TBC、DIC(株)製)2重量部計り取り、更に70℃で30分間攪拌して均一溶解させた。 Curing liquid: 70 parts by weight of a modified aromatic polyamine ("jER Cure" (registered trademark) W, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), 20 parts by weight of 3,3'-diaminodiphenyl sulfone (manufactured by Mitsui Chemical Fine, Inc.) Also, 10 parts by weight of 4,4′-diaminodiphenyl sulfone (“Seika Cure” S, manufactured by Seika Co., Ltd.) were weighed, stirred at 100 ° C. for 1 hour to homogenize, then cooled to 70 ° C., and cured. As an accelerator, 2 parts by weight of t-butylcatechol (DIC-TBC, manufactured by DIC Corporation) was weighed out, and further stirred at 70 ° C. for 30 minutes to uniformly dissolve.
<強化繊維基材>
図2に示す装置を使用して、幅1/4インチのテープ状強化繊維基材を作成した。強化繊維基材の目付は162g/m2であった。
<Reinforcing fiber substrate>
Using the apparatus shown in FIG. 2, a 1/4 inch wide tape-like reinforcing fiber substrate was prepared. The basis weight of the reinforcing fiber base was 162 g / m 2 .
<強化繊維積層体>
かかる強化繊維基材は、CAI測定用にはAFP装置で擬似等方積層[45/0/−45/90]3S(24層:ここで「3S」とは、[ ]内に示す配向角度順に積層したものと対称〔Symmetry〕配置となるように積層したものとを合わせて1組(4層×2=8層)とし、これを3組積層(8層×3=24層)した態様を示す。以下同じ。)の構成で平面状のプリフォーム型上に積層した後、バッグフィルムとシーラントにて密閉して真空に減圧した状態で、140℃のオーブンで1時間加熱した。その後、オーブンから取り出し、プリフォーム型を室温まで冷却した後に放圧して強化繊維積層体を得た。また高温時圧縮強度測定用にはAFP装置で0度方向に6層の構成で平面状のプリフォーム型上に積層した後、バッグフィルムとシーラントにて密閉して真空に減圧した状態で、140℃のオーブンで1時間加熱した。その後、オーブンから取り出し、プリフォーム型を室温まで冷却した後に放圧して強化繊維積層体を得た。
<Reinforced fiber laminate>
Such a reinforcing fiber base material is quasi-isotropically laminated [45/0 / -45 / 90] 3S (24 layers: “3S” here means “3S” in the order of orientation angles shown in []) with an AFP device for CAI measurement. An embodiment in which one set (4 layers × 2 = 8 layers) is combined with the stacked layers and the layers stacked so as to have a symmetrical [Symmetry] arrangement, and three sets of these layers are stacked (8 layers × 3 = 24 layers). The same was applied hereafter.), Laminated on a flat preform mold, heated in a 140 ° C. oven for 1 hour in a state where the bag was sealed with a bag film and a sealant and reduced in pressure to a vacuum. Thereafter, the preform was taken out of the oven, cooled to room temperature, and then released to obtain a reinforced fiber laminate. Further, for measuring the compressive strength at high temperature, the AFP device was used to laminate six layers in the direction of 0 ° on a planar preform mold, and then sealed with a bag film and a sealant and depressurized to a vacuum. Heated in an oven at 1 ° C. for 1 hour. Thereafter, the preform was taken out of the oven, cooled to room temperature, and then released to obtain a reinforced fiber laminate.
<繊維強化樹脂>
得られた強化繊維積層体上に樹脂拡散媒体(アルミ金網)を積層し、平面状の成形金型とバッグ材とでシーラントを用いて密閉することによりキャビティを形成し、100℃のオーブン中に入れた。強化繊維積層体の温度が100℃に達した後に密閉したキャビティを真空に減圧して、マトリックス樹脂を100℃に保ちながら大気圧との差圧のみで注入した。樹脂が含浸した後、減圧を続けながら180℃に昇温し、2時間放置して硬化させて脱型し、CAI測定用FRP平板1aおよび高温時圧縮強度測定用FRP平板1bを得た。得られたFRP平板1aのVfは62%、CAIは248MPa、FRP平板1bの高温時圧縮強度は1032MPaであった。
<Fiber reinforced resin>
A resin diffusion medium (aluminum wire mesh) is laminated on the obtained reinforcing fiber laminate, and a cavity is formed by sealing a flat molding die and a bag material with a sealant, and forming the cavity in a 100 ° C. oven. I put it. After the temperature of the reinforcing fiber laminate reached 100 ° C., the closed cavity was evacuated to a vacuum, and the matrix resin was injected at only a pressure difference from the atmospheric pressure while maintaining the temperature at 100 ° C. After the impregnation with the resin, the temperature was raised to 180 ° C. while continuing the decompression, left to cure for 2 hours, and demolded, to obtain a FRP flat plate 1a for CAI measurement and a FRP flat plate 1b for high-temperature compressive strength measurement. The VRP of the obtained FRP flat plate 1a was 62%, the CAI was 248 MPa, and the high-temperature compressive strength of the FRP flat plate 1b was 1032 MPa.
〔実施例2〕
ポーラス状樹脂材料が付着していない強化繊維糸条を、AFP装置を用いて2次元平面形状に引き揃えて強化繊維糸条群を作成し、その上にポーラス状樹脂材料を配置した後、遠赤外ヒーターで加熱して接着することにより、平面状強化繊維基材を作成した。強化繊維基材の目付は162g/m2であった。
かかる強化繊維基材は1層ごとに搬送し、CAI測定用には擬似等方積層[45/0/−45/90]3S(24層)の構成で平面状のプリフォーム型上に積層、高温時圧縮強度測定用には0度方向に6層の構成で平面状のプリフォーム型上に積層した以外は実施例1と同様にして、CAI測定用FRP平板2aおよび高温時圧縮強度測定用FRP平板2bを作成した。得られたFRP平板2aのVfは61%、CAIは244MPa、FRP平板2bの高温時圧縮強度は1019MPaであった。
[Example 2]
The reinforcing fiber yarn to which the porous resin material is not adhered is drawn into a two-dimensional planar shape using an AFP device to form a reinforcing fiber yarn group, and after the porous resin material is arranged thereon, By heating and bonding with an infrared heater, a planar reinforcing fiber substrate was prepared. The basis weight of the reinforcing fiber base was 162 g / m 2 .
Such a reinforcing fiber base material is transported one layer at a time, and is laminated on a planar preform mold in a configuration of pseudo isotropic lamination [45/0 / -45 / 90] 3S (24 layers) for CAI measurement. For measuring the high-temperature compressive strength, the same procedure as in Example 1 was carried out except that the layers were laminated on a planar preform mold in a configuration of six layers in the 0-degree direction. An FRP plate 2b was prepared. The VRP of the obtained FRP flat plate 2a was 61%, the CAI was 244 MPa, and the high-temperature compressive strength of the FRP flat plate 2b was 1019 MPa.
〔実施例3〕
強化繊維糸条と補助糸(“ECE225 1/0 1Z”、ユニチカ(株)製)を用いて図4に示すような一方向性織物を作成し、その片側表面にポーラス状樹脂材料を配置した後、遠赤外ヒーターで加熱して接着することにより、接着した強化繊維基材を作成した。強化繊維基材の目付は190g/m2であった。
かかる強化繊維基材をCAI測定用には擬似等方積層[45/0/−45/90]3S(24層)の構成で平面状のプリフォーム型上に積層、高温時圧縮強度測定用には0度方向に6層の構成で平面状のプリフォーム型上に積層した以外は実施例1と同様にして、CAI測定用FRP平板3aおよび高温時圧縮強度測定用FRP平板3bを作成した。得られたFRP平板3aのVfは59%、CAIは242MPa、FRP平板3bの高温時圧縮強度は983MPaであった。
[Example 3]
A unidirectional woven fabric as shown in FIG. 4 was prepared using a reinforcing fiber yarn and an auxiliary yarn (“ECE225 1/0 1Z”, manufactured by Unitika Ltd.), and a porous resin material was arranged on one surface thereof. Thereafter, the mixture was heated and bonded by a far-infrared heater to produce a bonded reinforcing fiber substrate. The basis weight of the reinforcing fiber base was 190 g / m 2 .
Such a reinforcing fiber substrate is laminated on a flat preform mold in a configuration of pseudo isotropic lamination [45/0 / -45 / 90] 3S (24 layers) for CAI measurement, and for high-temperature compression strength measurement. Was prepared in the same manner as in Example 1 except that six layers were laminated in a 0-degree direction on a planar preform mold to prepare an FRP flat plate 3a for CAI measurement and a FRP flat plate 3b for high-temperature compressive strength measurement. The Vf of the obtained FRP flat plate 3a was 59%, the CAI was 242 MPa, and the high-temperature compressive strength of the FRP flat plate 3b was 983 MPa.
〔実施例4〕
強化繊維糸条とステッチ糸(“Grilon(登録商標)K−140”75dtex、エムスケミー・ジャパン(株)製)を用いて、層間および最下層にポーラス状樹脂材料を配置した後、ステッチ糸で縫合することで[45/−45]の2層構成の強化繊維基材を作成した。強化繊維基材の目付は268g/m2であった。
かかる強化繊維基材を擬似等方積層[45/−45/0/90]3S(24層)の構成で平面状のプリフォーム型上に積層した以外は実施例1と同様にして、FRP平板4を作成した。得られたFRPのVfは59%、CAIは246MPaであった。
[Example 4]
Using a reinforcing fiber thread and a stitch thread ("Grilon (registered trademark) K-140" 75 dtex, manufactured by Ms. Chemie Japan Co., Ltd.), arranging a porous resin material between the layers and the lowermost layer, and then suturing with the stitch thread By doing so, a two-layer reinforced fiber substrate of [45 / -45] was prepared. The basis weight of the reinforcing fiber substrate was 268 g / m 2 .
An FRP flat plate was prepared in the same manner as in Example 1 except that such a reinforcing fiber base was laminated on a planar preform mold in a configuration of pseudo isotropic lamination [45 / -45 / 0/90] 3S (24 layers). 4 was created. The VRP of the obtained FRP was 59%, and the CAI was 246 MPa.
〔実施例5〕
樹脂材料として、ポリアミド6Iとポリアミド12を共重合したポリアミド6I/12を調製した以外は実施例1と同様にして、FRP平板5を作成した。樹脂材料のビカット軟化温度は70℃、得られたFRPのVfは64%、CAIは248MPaであった。
[Example 5]
An FRP flat plate 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyamide 6I / 12 obtained by copolymerizing polyamide 6I and
〔実施例6〕
樹脂材料として、ポリアミド6とポリアミド66を共重合したポリアミド6/66を調製した以外は実施例1と同様にして、FRP平板6を作成した。樹脂材料のビカット軟化温度は195℃、得られたFRPのVfは54%、CAIは242MPaであった。
[Example 6]
An FRP flat plate 6 was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyamide 6/66 obtained by copolymerizing polyamide 6 and
〔比較例1〕
樹脂材料の形態を粉末状にした以外は実施例2と同様にして、強化繊維基材を作成したが、AFPで引き揃えたシート状の強化繊維糸条群が運搬の際にばらばらになり、成形品を得ることが出来なかった。
[Comparative Example 1]
A reinforcing fiber base material was prepared in the same manner as in Example 2 except that the form of the resin material was changed to powder, but the sheet-like reinforcing fiber yarns grouped by AFP were separated during transportation, A molded article could not be obtained.
〔比較例2〕
樹脂材料として、ポリアミド66を用いた以外は実施例1と同様にして、CAI測定用FRP平板7aおよび高温時圧縮強度測定用FRP平板7bを作成した。ビカット軟化温度は237℃、FRP平板7aのVfは52%、CAIは210MPa、FRP平板7bの高温時圧縮強度は842MPaであった。
[Comparative Example 2]
An FRP flat plate 7a for CAI measurement and a FRP flat plate 7b for high-temperature compressive strength measurement were prepared in the same manner as in Example 1 except that
本発明のFRPは優れた力学特性を有し、かつ軽量であるため、その用途が航空機、自動車、船舶の輸送機器のいずれかにおける一次構造部材、二次構造部材、外装部材または内装部材に限らず、風車ブレード、ロボットアームやX線天板といった医療機器等の一般産業用途の部材にも好適である。 Since the FRP of the present invention has excellent mechanical properties and is lightweight, its use is limited to primary structural members, secondary structural members, exterior members or interior members in any of aircraft, automobiles, and marine transport equipment. It is also suitable for members for general industrial use such as medical equipment such as a windmill blade, a robot arm and an X-ray top.
11:強化繊維基材
12:強化繊維集合体
13:樹脂材料
20:ボビン
21:強化繊維基材
22:強化繊維糸条
23:樹脂材料
201:開繊ユニット
202:幅規制ローラ
203:ヒーター
204:プレスロール
31:強化繊維糸条群
32:強化繊維糸条
300:AFPヘッド
41:一方向性織物
42:強化繊維糸条(経糸)
43:補助糸(経糸)
44:補助糸(緯糸)
51:二方向性織物
52:強化繊維糸条(経糸)
53:強化繊維糸条(緯糸)
61:ステッチ布帛
62:強化布帛を形成する+α°の強化繊維層
63:強化布帛を形成する90°の強化繊維層
64:強化布帛を形成する−α°の強化繊維層
65:強化布帛を形成する0°の強化繊維層
66:ステッチ糸
11: reinforcing fiber base 12: reinforcing fiber assembly 13: resin material 20: bobbin 21: reinforcing fiber base 22: reinforcing fiber yarn 23: resin material 201: opening unit 202: width regulating roller 203: heater 204: Press roll 31: Reinforcement fiber yarn group 32: Reinforcement fiber yarn 300: AFP head 41: Unidirectional fabric 42: Reinforcement fiber yarn (warp)
43: auxiliary yarn (warp)
44: auxiliary yarn (weft)
51: bidirectional fabric 52: reinforcing fiber yarn (warp)
53: Reinforcing fiber yarn (weft)
61: Stitched fabric 62: Reinforced fabric forming + α ° reinforcing fiber layer 63: Reinforced fabric forming 90 ° reinforcing fiber layer 64: Reinforced fabric forming -α ° reinforcing fiber layer 65: Reinforced fabric formed 0 ° reinforcing fiber layer 66: stitch yarn
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