JP2020084337A - 紡績糸 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧に伴う蛇行を抑制できる紡績糸を提供すること。【解決手段】非連続強化繊維１５製の紡績糸１１は、第１繊維束層１３よりも紡績糸１１の中心側に、第１繊維束層１３に比べて紡績糸１１の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層１２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、非連続強化繊維製の紡績糸に関する。

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。繊維強化複合材は、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸・硬化させて形成されている。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非連続強化繊維を束ねて構成された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といった非連続強化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ものである。

特開平７−１１８９７９号公報

繊維強化複合材のマトリックス樹脂中での繊維体積含有率を高めるためや、賦形等を目的として繊維構造体が加圧されるときがある。このとき、繊維構造体の加圧に伴い、繊維構造体中で隣接配置される紡績糸が互いに押圧されて屈曲するため、直進性を持って配向されていた紡績糸が蛇行してしまう。

本発明の目的は、加圧に伴う蛇行を抑制できる紡績糸を提供することにある。

上記問題点を解決するための紡績糸は、非連続強化繊維から構成される紡績糸であって、前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて前記紡績糸の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを要旨とする。

これによれば、紡績糸によって形成された繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材の製造の際、繊維構造体が成形型の型閉めによって加圧されたり、所望の形状に賦形するために加圧されたりする。この加圧時、繊維構造体中に隣接配置される紡績糸が互いに押圧され、各紡績糸は中心方向へ押圧される。このとき、各紡績糸においては、第１繊維束層及び第２繊維束層が押圧されるが、第２繊維束層の方が第１繊維束層よりも変形しやすいため、押圧による第１繊維束層の変形が第２繊維束層により吸収される。その結果、第２繊維束層により、紡績糸を構成する非連続強化繊維の全てが屈曲することが抑制され、押圧を原因とした紡績糸の蛇行を抑制できる。

また、紡績糸について、前記第２繊維束層は、前記第１繊維束層よりも繊維体積含有率が低いのが好ましい。
これによれば、第２繊維束層は、第１繊維束層と比べると非連続強化繊維同士の間の隙間が多く、嵩高な構成となる。このため、紡績糸が押圧されたとき、隙間を利用して第２繊維束層が、紡績糸の中心方向へより変形しやすくなり、紡績糸が屈曲することを抑制できる。

また、紡績糸について、最も外側の前記第１繊維束層の外周面に捲回される形状保持用繊維束を備えていてもよい。
これによれば、形状保持用繊維束により、最外層が剥がれ落ちることが抑制される。また、形状保持用繊維束により、紡績糸の形状を維持でき、紡績糸を織ったりする際にも、最外層が剥がれることを抑制できる。

また、紡績糸について、前記紡績糸の中心軸線に沿って前記第２繊維束層を備えていてもよい。
これによれば、紡績糸が周方向の何れの位置から加圧されても、第２繊維束層の変形により、紡績糸が屈曲することを抑制できる。

本発明によれば、加圧に伴う蛇行を抑制できる。

実施形態の紡績糸を模式的に示す斜視図。 実施形態の紡績糸を模式的に示す断面図。 実施形態の紡績糸を模式的に示す図。 繊維強化複合材を模式的に示す図。 （ａ）はキャビティに繊維構造体を配置した状態を示す断面図、（ｂ）は成形型を型閉めした状態を示す断面図。 （ａ）は加圧前の紡績糸同士を模式的に示す図、（ｂ）は加圧後の紡績糸同士を模式的に示す図、（ｃ）は比較例の紡績糸同士を模式的に示す図。 別例の紡績糸を模式的に示す図。

以下、紡績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〜図３に示すように、紡績糸１１は、最外層を構成する第１繊維束層１３よりも紡績糸１１の中心側に第２繊維束層１２を有する。つまり、紡績糸１１は、当該紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２を有するとともに、第２繊維束層１２を覆う第１繊維束層１３を有する。また、紡績糸１１は、第１繊維束層１３に捲回された形状保持用繊維束１４を有する。紡績糸１１において、中心軸線Ｌの延びる方向は軸線方向であり、紡績糸１１の外から中心軸線Ｌに向かう方向を中心方向とする。なお、紡績糸１１において、中心軸線Ｌから外に向かう方向と、上述の中心方向の両方向を含めて径方向と言う場合もある。紡績糸１１は、第１繊維束層１３よりも紡績糸１１の中心側に第２繊維束層１２を有する。

第２繊維束層１２、及び第１繊維束層１３は、それぞれ複数の非連続強化繊維１５によって構成されている。非連続強化繊維１５としては、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。

第１繊維束層１３は、第２繊維束層１２を全周に亘って覆う。第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３は、実質無撚である。なお、実質無撚とは、非連続強化繊維１５の撚りが全くない場合の他、実質的に非連続強化繊維１５が撚りによる拘束を受けていない場合も含む。第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３が実質無撚であることから、各非連続強化繊維１５は、紡績糸１１の軸線方向へ直線状に延び、直進性を有している。なお、非連続強化繊維１５は、直線状に延び、直進性を有するとしているが、製造上、部分的に緩やかに湾曲することは避けられないため、直進性を有するとは、若干の湾曲やねじれを含むものとする。また、第２繊維束層１２を第１繊維束層１３で覆うことにより、紡績糸１１が第２繊維束層１２だけの場合と比べて糸強力が高められている。

図３に示すように、第２繊維束層１２には、紡績糸１１の径方向及び軸線方向に隣り合う非連続強化繊維１５同士の間に隙間Ｓがある。一方、第１繊維束層１３においても、紡績糸１１の径方向及び軸線方向に隣り合う非連続強化繊維１５同士の間に隙間Ｓはある。しかし、第２繊維束層１２における隙間Ｓの割合は、第１繊維束層１３における隙間Ｓの割合よりも高く、第２繊維束層１２は第１繊維束層１３よりも嵩高である。

紡績糸１１において、単位体積あたりの非連続強化繊維１５の体積の割合を、繊維体積含有率（Ｖｆ）とする。第２繊維束層１２の繊維体積含有率は、第１繊維束層１３の繊維体積含有率よりも低く、第２繊維束層１２の方が第１繊維束層１３に比べて隙間Ｓが多い。

このため、紡績糸１１を中心軸線Ｌに向けて中心方向へ押圧して加圧したとき、第１繊維束層１３及び第２繊維束層１２が押圧されるが、第２繊維束層１２の方が、第１繊維束層１３よりも中心方向へ変形できる量が大きい。これは、紡績糸１１を中心方向に加圧したとき、第２繊維束層１２の方が、第１繊維束層１３よりも押し潰すことのできる量が多いことを示す。なお、第１繊維束層１３も、中心方向へ変形するが、その変形量は僅かであり、押し潰すことのできる量は第２繊維束層１２よりも少ない。

第２繊維束層１２の繊維体積含有率、及び第１繊維束層１３の繊維体積含有率は、紡績糸１１を中心方向に加圧したとき、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３とで繊維体積含有率が同じになるように、非連続強化繊維１５の量を調整して設定されている。

形状保持用繊維束１４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、形状保持用繊維束１４は、非連続強化繊維１５を束ねて形成されたものでもよい。形状保持用繊維束１４は、第１繊維束層１３の外周面に対し螺旋状に巻き付けられ、第２繊維束層１２が第１繊維束層１３で覆われた形状を保持する。

本実施形態の紡績糸１１において、第２繊維束層１２を形成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を形成する非連続強化繊維１５と、形状保持用繊維束１４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。また、第２繊維束層１２を形成する非連続強化繊維１５の太さは、第１繊維束層１３を形成する非連続強化繊維１５の太さと同じである。

図４に示すように、繊維強化複合材２０は、強化基材である繊維構造体２１にマトリックス樹脂３１を含浸させて構成されている。マトリックス樹脂３１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２１は、紡績糸１１で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層２２ａと、紡績糸１１で形成された複数本の経糸からなる経糸層２２ｂとを複数積層し、複数の緯糸層２２ａと複数の経糸層２２ｂとを拘束糸２３で積層方向に拘束して構成されている。また、緯糸層２２ａ及び経糸層２２ｂでは、各紡績糸１１は、成形に伴って扁平状である。

繊維構造体２１へのマトリックス樹脂３１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２１にマトリックス樹脂３１が含浸し、マトリックス樹脂３１が硬化することにより、繊維構造体２１の各紡績糸１１は、マトリックス樹脂３１と複合化して繊維強化複合材２０となる。そして、繊維強化複合材２０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２０の製造方法及び作用について説明する。
図５（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２０の形状に対応したキャビティ４４を備える。

まず、繊維構造体２１を所望する形状に賦形する。次に、成形型４１が開放された状態で、キャビティ４４内（成形型４１内）に賦形した繊維構造体２１を配置する。この場合、繊維構造体２１の下端面２１ｂをキャビティ４４の内底面に載せた状態では、上端面２１ａがキャビティ４４内から外部に突出する。

次に、図５（ｂ）に示すように、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、上型４３の下面は、繊維構造体２１の上端面２１ａを押圧し、繊維構造体２１が積層方向に加圧される。

図６（ａ）に示すように、繊維構造体２１内において、積層方向に隣接配置された紡績糸１１のうち、一方（上方）の紡績糸１１に、太さ斑に起因して軸線方向の一部に径方向に膨らんだ膨出部１１ａを有する場合、繊維構造体２１が積層方向に加圧されると、図６（ｂ）に示すように、一方の紡績糸１１の膨出部１１ａが、他方の紡績糸１１を押圧する。このとき、押圧された他方の紡績糸１１においては、一方の紡績糸１１に隣接する第１繊維束層１３は紡績糸１１の中心方向へ変形する。しかし、隙間Ｓを有する第２繊維束層１２が存在することによって、押圧部分から離れるにつれて非連続強化繊維１５の屈曲度合いが緩和される。したがって、押圧された他方の紡績糸１１を構成する非連続強化繊維１５の全てが屈曲することが抑制され、押圧を原因とした、他方の紡績糸１１の蛇行が抑制される。

図６（ｃ）に、第２繊維束層１２を備えない紡績糸５０を比較例として示し、比較例の紡績糸５０の上方に、膨出部５０ａを有する一方の紡績糸５０が積層されている場合を示す。繊維構造体２１が積層方向に加圧されると、一方の紡績糸５０の膨出部５０ａが、他方の紡績糸５０を中心側へ押圧する。このとき、押圧された他方の紡績糸５０においては、第２繊維束層１２が無いことから全ての非連続強化繊維１５が一様に屈曲して、紡績糸５０全体として蛇行してしまう。

従って、本実施形態によれば、紡績糸１１の直進性が保たれたまま、繊維構造体２１が積層方向に押し潰される。次に、マトリックス樹脂３１をキャビティ４４内に注入する。キャビティ４４内に注入されたマトリックス樹脂３１は、繊維構造体２１の各紡績糸１１に浸透する。その後、マトリックス樹脂３１及び繊維構造体２１が押し潰された状態でマトリックス樹脂３１の硬化が完了するまで成形型４１の加熱が継続される。マトリックス樹脂３１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２０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）紡績糸１１は、第１繊維束層１３よりも中心側に第２繊維束層１２を有する。そして、第２繊維束層１２の繊維体積含有率を第１繊維束層１３の繊維体積含より低くした。このため、繊維構造体２１が賦形されたり、成形型４１の型閉めによって加圧されたりしたとき、第２繊維束層１２が有する多数の隙間Ｓにより、第２繊維束層１２が変形しやすく、紡績糸１１に対する押圧が第２繊維束層１２の変形により吸収される。その結果、紡績糸１１が屈曲することが抑制され、加圧に伴う紡績糸１１の蛇行を抑制でき、得られる繊維強化複合材２０において、紡績糸１１の屈曲を原因とした強度低下を抑制できる。

（２）第２繊維束層１２の繊維体積含有率を、第１繊維束層１３の繊維体積含有率より低くし、第２繊維束層１２を第１繊維束層１３より嵩高とした。繊維体積含有率を異ならせるだけの簡単な方法で、紡績糸１１の屈曲を抑制できる。

（３）紡績糸１１において、第１繊維束層１３には形状保持用繊維束１４が捲回されている。形状保持用繊維束１４により、第１繊維束層１３が第２繊維束層１２から剥がれ落ちることが抑制される。また、形状保持用繊維束１４により、第１繊維束層１３が第２繊維束層１２を覆う状態を維持でき、紡績糸１１を織ったりする際にも第１繊維束層１３が剥がれることを抑制できる。

（４）第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５と、形状保持用繊維束１４とを同じ材質の炭素繊維とした。このため、紡績糸１１において、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３の間、さらに、第１繊維束層１３と形状保持用繊維束１４の間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂３１を含浸させたときの第２繊維束層１２と第１繊維束層１３との接着性、及び第１繊維束層１３と形状保持用繊維束１４の接着性が低下しない。また、例えば、第２繊維束層１２の非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３の非連続強化繊維１５を別々の材質とする場合と比べて紡績糸１１の製造コストを抑えることができる。

（５）紡績糸１１を中心方向に加圧したときの繊維体積含有率が第２繊維束層１２と第１繊維束層１３とで同じになるように、加圧前の紡績糸１１における第２繊維束層１２と第１繊維束層１３の繊維体積含有率を調整した。このため、紡績糸１１が加圧されたとき、紡績糸１１は一定の繊維体積含有率となる。このため、加圧された紡績糸１１において、その糸強力の低下を抑制できる。

なお、実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 図７に示すように、紡績糸１１において、紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２より外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３ａを設け、さらに、その第１繊維束層１３ａの外側に、第１繊維束層１３ａよりも繊維体積含有率の高い第１繊維束層１３を設けてもよい。

○ 紡績糸１１において、中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２の外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３を設け、さらに、その第１繊維束層１３より外側に、当該第１繊維束層１３よりも繊維体積含有率が低い第２繊維束層１２を設けてもよい。そして、この第２繊維束層１２より外側に他の第１繊維束層１３を設けてもよい。

要は、紡績糸１１の径方向における第２繊維束層１２の位置は適宜変更してもよい。
又は、紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿って第１繊維束層１３を設け、その第１繊維束層１３の外側に第２繊維束層１２を設け、さらに、第２繊維束層１２の外側に他の第１繊維束層１３を設けてもよい。

○ 紡績糸１１において、中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２の外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３を設け、さらに、その第１繊維束層１３より外側に第２繊維束層１２を設けてもよい。

○ 第２繊維束層１２の変形量を、第１繊維束層１３の変形量より大きくするための構成は、繊維体積含有率以外の構成であってもよい。例えば、第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５の材質を異ならせてもよい。第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５を、有機繊維（例えば、ナイロン繊維）とし、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５を、無機繊維（例えば、炭素繊維）としてもよい。

又は、第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５をそれぞれ炭素繊維としつつ、第２繊維束層１２の炭素繊維を、第１繊維束層１３の炭素繊維よりも軟らかい種類の炭素繊維としてもよい。

又は、第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５をそれぞれ炭素繊維としつつ、第２繊維束層１２の炭素繊維の断面形状又は太さを、第１繊維束層１３の炭素繊維の形状よりも変形しやすい断面形状又は太さとしてもよい。

○ 繊維構造体２１は、紡績糸１１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２３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２１は、複数の緯糸層２２ａと複数の経糸層２２ｂとを拘束糸２３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２１は、紡績糸１１で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層２２ａを、紡績糸１１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２１は、紡績糸１１で形成された複数本の経糸からなる経糸層２２ｂを、紡績糸１１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。

○ 紡績糸１１は、形状保持用繊維束１４を備えず、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３のみで構成されていてもよい。
○ 繊維強化複合材２０のマトリックス樹脂３１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２０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。

（１）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紡績糸が、非連続強化繊維から構成され、前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを特徴とする繊維強化複合材。

（２）前記第２繊維束層を構成する非連続強化繊維と、前記第１繊維束層を構成する前記非連続強化繊維は同じ種類である繊維強化複合材。

１１…紡績糸、１２…第２繊維束層、１３…第１繊維束層、１４…形状保持用繊維束、１５…非連続強化繊維。

Claims (4)

1. 非連続強化繊維から構成される紡績糸であって、
   前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて前記紡績糸の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを特徴とする紡績糸。
2. 前記第２繊維束層は、前記第１繊維束層よりも繊維体積含有率が低い請求項１に記載の紡績糸。
3. 最も外側の前記第１繊維束層の外周面に捲回される形状保持用繊維束を備える請求項１又は請求項２に記載の紡績糸。
4. 前記紡績糸の中心軸線に沿って前記第２繊維束層を備える請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の紡績糸。