JP2545753B2 - 疑似発泡材を用いた複合材料の製造法、及び複合材料 - Google Patents

疑似発泡材を用いた複合材料の製造法、及び複合材料

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JP2545753B2 JP6271106A JP27110694A JP2545753B2 JP 2545753 B2 JP2545753 B2 JP 2545753B2 JP 6271106 A JP6271106 A JP 6271106A JP 27110694 A JP27110694 A JP 27110694A JP 2545753 B2 JP2545753 B2 JP 2545753B2
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    • Y10T156/1002Methods of surface bonding and/or assembly therefor with permanent bending or reshaping or surface deformation of self sustaining lamina
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、強度、軽量化、断熱
性、靭性等の特性が期待できる疑似発泡材を用いた複合
材料の製造法、及び複合材料に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、強化繊維を熱可塑性合成樹脂等の
マトリックス素材により結合する方法としては、各種の
方法が提案、実施され、本発明者等も強化繊維を熱可塑
性樹脂の粉末または粉状体と混合して加熱成形する方法
を提案している。しかし、これらの既提案の方法を含む
従来の方法では、マトリックス素材として粉末または粒
状の熱可塑性樹脂を用い、強化繊維に混合して加熱成形
するため、両者の均一な混合が困難であるばかりでな
く、混合後の各種処理過程においても粉末または粉状の
樹脂の分離が起き易く、強化繊維をマトリックス中に均
一に分散させた製品を得ることが困難である。そして、
できるだけ均一化を図るためには、強化繊維とマトリッ
クス樹脂とを混合して直ちに加熱成形を行う必要があ
り、結果的に、成形品は単純な板状にならざるを得ない
等の問題がある。
【0003】そこで、本発明者等は、特公平6−717
68号公報に示されるようにマトリックス樹脂繊維束と
強化繊維束が繊維1本に近い状態で均一に混合された複
合マットを成形することのできる分繊飛動装置を開発
し、形態保持性に優れ、強化繊維とマトリックス樹脂の
分離も起りにくく、上記混合体の取扱いも容易に行える
ような繊維強化複合材料を提案した。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平6−71768号公報の繊維強化複合材料は、マト
リックス素材として熱可塑性樹脂を用いているため、耐
熱性が充分に高くないので、多種の用途に利用すること
ができなかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑み提案
されたもので、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とを分繊飛
動装置に同時に供給し、周囲に針布を配して高速回転す
る分繊飛動ローラにより両繊維を分繊飛動させ、捕集ベ
ルトからなる繊維捕集部において両繊維を均一に混合し
た複合マットとして捕集し、該複合マットを加熱成形し
て平板状の繊維強化材料とした後、加熱して熱可塑性樹
脂繊維を溶融させることにより膨張させた疑似発泡材を
作製し、この疑似発泡材の微細空隙に熱硬化性樹脂を含
浸させた後、必要に応じて吸引により余分な樹脂を取り
除くようにしたことを特徴とする疑似発泡材を用いた複
合材料の製造法、並びにこの製造法により得られる複合
材料に関するものである。
【0006】上記本発明に用いられる強化繊維として
は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の各種繊維
を用いることができるが、ガラス繊維や炭素繊維のよう
に、後述する分繊飛動装置の分繊飛動ローラで切断可能
なものは連続繊維として供給することができ、これに対
してアラミド繊維のように分繊飛動ローラでは切断不能
なものは予め切断した不連続繊維として供給される。一
方、熱可塑性樹脂繊維としては、強化繊維との関連にお
いて適切なものが用いられるが、この場合も同様に分繊
飛動ローラで切断可能なものは連続繊維として、切断が
困難な場合には予め切断した不連続繊維として供給され
る。また、本発明に用いる分繊飛動装置は、特公平6−
71768号公報に記載される通りの構造であり、高速
で回転する2本の分繊飛動ローラを備え、それによって
供給した繊維を分繊飛動させるものであり、さらに具体
的に説明すると、捕集ベルトからなる繊維捕集部におい
て両繊維を均一に混合した複合マットとして捕集し、こ
の複合マットを加熱成形して平板状の繊維強化材料とす
ることができるものである。さらに、本発明に用いられ
る熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂等を用いること
ができるが、溶剤の添加量で溶液の粘度を適宜に調整す
ることができる。
【0007】前記分繊飛動装置の詳細については、特公
平6−71768号公報、或いは後述する実施例に示す
通りであるが、作製された複合マット内の強化繊維は三
次元的配向を有している。この複合マットを適量積層し
て加熱圧縮成形を行うと、強化繊維が圧縮された状態の
繊維強化材料を得ることができる。次に、上記繊維強化
材料を再び加熱し、熱可塑性樹脂を溶融させると、圧縮
された強化繊維のスプリングバック現象により膨張す
る。これを冷却すると、細かい空隙のある多孔構造の疑
似発泡材を作製することができる。その後、上記疑似発
泡材の微細空隙に、熱硬化性樹脂(溶液)を含浸するの
であるが、吸引により余分な熱硬化性樹脂(溶液)を取
り除くと、三次元的配向を持つ強化繊維及び熱可塑性樹
脂繊維の表面に熱硬化性樹脂が付着した構成の複合材料
(以下、コーティング型複合材料という)が得られる。
尚、熱硬化性樹脂(溶液)の粘度や吸引力を制御するこ
とにより、熱硬化性樹脂の付着量を適宜に調整すること
ができる。また、熱可塑性樹脂の選定とあいまってコー
ティング型複合材料の空隙の大きさを調整することも可
能である。一方、疑似発泡材の微細空隙に熱硬化性樹脂
(溶液)を含浸させて上記の吸引を行わなくても良い。
この場合、疑似発泡材の微細空隙に熱硬化性樹脂が充満
した複合材料(以下、完全含浸型複合材料という)が得
られる。
【0008】上記のように得られる本発明のコーティン
グ型複合材料、完全含浸型複合材料は、何れも熱可塑性
樹脂繊維の表面に熱硬化性樹脂が被覆されているので、
耐熱性が優れ、多種の用途への使用が期待される。特に
コーティング型複合材料は、空隙を有するので軽量であ
るという利点をも有している。
【0009】
【実施例】以下に本発明の実施例を示す。図1は、本発
明に用いる繊維強化材料を作製するために用いる分繊飛
動装置の構成を示している。この分繊飛動装置は、高速
で回転する2本の分繊飛動ローラを備え、それによって
供給した繊維を分繊飛動させるもので、強化繊維と熱可
塑性樹脂繊維とを同時に供給するための供給コンベアを
備えている。
【0010】第1の分繊飛動ローラ4の導入口まで供給
された上記両繊維2は、供給ローラ3により分繊飛動ロ
ーラ4まで誘導され、高速回転する該分繊飛動ローラ4
に接触して分繊される。この分繊飛動ローラ4は、ロー
ラの円周上に針布が埋められたもので、ここに供給され
た繊維2は分繊飛動ローラ4の高速回転(径20mm、回
転数2000〜5000rpm )の作用を受けて切断、分
繊、飛動し、飛動補助ブロワー6の作用を受けると同時
に排気用ブロワー7による吸引の作用を受けて多孔のケ
ージローラ5上に強化繊維と熱可塑性樹脂繊維がほぼ均
一に混合したウェブ8として堆積する。このケージロー
ラ5は、駆動装置により緩回転するものであり、そのた
めケージローラ5上に堆積したウェブ8は、逐次第2の
分繊飛動ローラ10に供給される。
【0011】第2の分繊飛動ローラ10は、前記第1の
分繊飛動ローラ4と同様の構成を有するものであり、こ
の分繊飛動ローラ10に供給された繊維のウェブ8は、
前記と同様の分繊、飛動により、繊維が一本一本に近い
状態に分繊されて、飛動通路11に放出され、異種繊維
も均一に混合される。そして、ブロワー13によって生
起せしめられる飛動通路11の出口側における繊維捕集
部、すなわちその飛動通路11側を走行する捕集ベルト
14上に、平板状のマット15として捕集される。
【0012】尚、上記飛動通路11の出口側を、供給す
る繊維の長さよりも充分に小さい幅を有するスリットと
し、このスリットを通して捕集ベルト14上に捕集させ
ると、マット15を形成する各繊維は、スリットの長さ
方向に配向させることができる。
【0013】また、繊維強化材料の成形において、繊維
捕集部を、金網等の通気材により形成した製品形状の型
とすれば、この型上に飛動繊維を均一に混合した製品形
状マットとして捕集することができる。
【0014】これらのマット15は、加熱成形により所
要形状の繊維強化材料とするが、上記マット15におい
て、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とが堆積した状態にな
り、しかも両者が繊維状であるため、そのマットが形態
保持性に優れ、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維の分離も起
りにくく、したがって、その取扱いも容易に行うことが
できる。そして、繊維捕集部を製品形状に形成しておく
ことにより、その形状に一体成形したマット状物を得る
ことができる。
【0015】上記構成の分繊飛動装置に、熱可塑性樹脂
繊維としてナイロン6(以下、PA6という,ユニチ
カ)を、強化繊維として炭素繊維(以下、CFという,
東邦ベスロンHTA12000f)を供給し、上述の手
順で複合マットを調製した。この複合マットを厚さ1m
mで15mm×15mmの金型に適量に積層した後、加
熱圧縮(加熱温度240℃,圧縮力50kg/cm2
約4分)し、平板状の繊維強化材料を成形した。この平
板状の繊維強化材料を5mm厚さの金型内に収容し、再
加熱(加熱温度240℃で約4分)することにより樹脂
を溶融させて膨張させた後、冷却して疑似発泡材を成形
した。なお、成形に使用した複合マットは、強化繊維の
反発力の大きいCF体積分率が20%、30%のものを
使用した。成形した疑似発泡材の微細空隙に、熱硬化性
樹脂(エポキシ樹脂,大日本インキ化学、エピクロン8
30)を含浸した後、吸引により余分な熱硬化性樹脂を
取り除いてコーティング型複合材料を作製した。尚、上
記熱硬化性樹脂としては、樹脂100gに対してメチル
エチルケトン(MEK)15g、トリエチレンテトラミ
ン(硬化剤)10gを添加したものを用いた。また、吸
引を行わずに熱硬化性樹脂を微細空隙に充満させた完全
含浸型複合材料も作製した。これら2種の複合材料を幅
10mmに万能鋸で切断し、引張り及び曲げ試験用の試
験片に加工した。また、直径23mmの円盤状に切断
し、熱伝導試験用試料とした。
【0016】〈密度測定〉疑似発泡材、及び得られた2
種の複合材料の密度を乾式密度計で測定し、表1に示し
た。
【表1】 得られた複合材料の含浸前と含浸後の密度を比較する
と、コーティング型複合材料は約3倍、完全含浸型複合
材料は約5倍になった。完全含浸型複合材料では1mm
厚の板を5mm厚にしたため含浸する熱硬化性樹脂の密
度を考慮すれば妥当な値である。コーティング型複合材
料では樹脂の粘度及び吸引力により繊維表面への付着量
が変化し、物性に影響するため、これらの条件の精密な
制御が必要である。
【0017】〈熱伝導試験〉疑似発泡材、及び得られた
2種の複合材料の熱伝導率及び熱拡散係数を測定した結
果を表2に示す。尚、上記熱伝導率の測定には特願平5
−247612号にて出願した測定装置を用いた。この
装置は、一定温度にコントロールできる熱源と、輻射温
度計とを備えており、直径23mmの板状の試料の片面
に一定温度の熱源を接着させ、反対側の面の温度上昇を
輻射温度計により定間隔おきに測定し、その温度上昇曲
線から熱伝導率、熱拡散係数を同時に計測するものであ
る。
【表2】 当然のことながら空隙のない完全含浸型複合材料は、熱
伝導率及び熱拡散係数とも他の材料に比べて大きい。コ
ーティング型複合材料の値が予想以上に大きかったが、
樹脂の粘度及び吸引力を制御することにより力学的特性
とバランスのとれた熱材としての応用も考えられる。
【0018】〈引張り及び曲げ試験〉未発泡材(A)、
疑似発泡材(B)、コーティング型複合材料(C)、及
び完全含浸型複合材料(P)の引張り及び曲げ試験の結
果を図2に示す。尚、上記引張り試験、曲げ試験とも1
5cm×15cmの複合材料から幅10mmの試験片を
切り出し、引張り試験では試長50mm、曲げ試験では
スパン80mmにし、オートグラフ(島津株式会社製)
を用いて測定した。どの値も疑似発泡材、コーティング
型複合材料、完全含浸型複合材料の順に大きく、熱硬化
性樹脂の多いものほど力学的特性は高い値を示すことが
わかる。また、コーティング型複合材料に注目すると、
熱可塑性樹脂の選定、粘度及び樹脂除去の際の吸引力を
制御することにより、強度を持つ断熱材料、細かい空隙
の異なるフィルター等への応用も期待できる。
【0019】以上本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明は前記した実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りど
のようにでも実施することができる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、強度に優
れ、且つ耐熱性及び靭性にも優れた複合材料を得ること
ができる。したがって、幅広い用途への利用が期待され
る。特にコーティング型複合材料は、微細空隙を保有し
ているので、上述の特性に加えて軽量性にも優れ、例え
ば強度の高い断熱材料等として、或いは細かい空隙の異
なるフィルター等への応用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる分繊飛動装置の構成を模式的に
示す側面図である。
【図2】本発明の実施例における引張り及び曲げ試験の
測定結果を示すグラフである。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とを分繊飛
    動装置に同時に供給し、周囲に針布を配して高速回転す
    る分繊飛動ローラにより両繊維を分繊飛動させ、捕集ベ
    ルトからなる繊維捕集部において両繊維を均一に混合し
    た複合マットとして捕集し、該複合マットを加熱成形し
    て平板状の繊維強化材料とした後、加熱して熱可塑性樹
    脂繊維を溶融させることにより膨張させた疑似発泡材を
    作製し、この疑似発泡材の微細空隙に熱硬化性樹脂を含
    浸させた後、必要に応じて吸引により余分な樹脂を取り
    除くようにしたことを特徴とする疑似発泡材を用いた複
    合材料の製造法。
  2. 【請求項2】 強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とを分繊飛
    動装置に同時に供給して得られた平板状の繊維強化材料
    を、加熱して熱可塑性樹脂繊維を溶融させることにより
    膨張させた疑似発泡材とし、この疑似発泡材の三次元的
    配向を持つ強化繊維及び熱可塑性樹脂繊維の表面に熱硬
    化性樹脂を付着させてなることを特徴とする疑似発泡材
    を用いた複合材料。
  3. 【請求項3】 強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とを分繊飛
    動装置に同時に供給して得られた平板状の繊維強化材料
    を、加熱して熱可塑性樹脂繊維を溶融させることにより
    膨張させた疑似発泡材とし、この疑似発泡材の微細空隙
    に熱硬化性樹脂を充満してなることを特徴とする疑似発
    泡材を用いた複合材料。
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