JP2605384B2 - 成形用熱可塑性コンポジットシートおよびその成形体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、補強繊維と熱可塑性樹脂繊維との混繊糸
から形成される成形用の熱可塑性コンポジットシートお
よびその成形体に関するものである。

［従来の技術］ 長繊維強化のプラスチックコンポジットは、航空宇宙
用を中心としたいわゆるアドバンスドコンポジットと、
船舶、浴槽ユニット、自動車等に使われている汎用FRP
とに大別される。両者ともに、通常はマトリックス樹脂
として熱硬化型の樹脂が用いられており、前者にはエポ
キシ樹脂、後者には不飽和ポリエステル樹脂が用いられ
ている。このように、マトリックス樹脂として熱硬化型
樹脂を用いると、成形後にマトリックス樹脂を硬化させ
るための硬化処理が必要であること、およびコンポジッ
トの靭性が欠けるという欠点がある。

マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いれば、上
記欠点を改良できることが知られている。しかしなが
ら、熱可塑性樹脂の溶融粘度が高いことから、連続した
補強繊維に溶融樹脂を含浸させるのは技術的に困難なこ
とである。比較的ルーズに集合したランダムに配列した
長繊維マットには、溶融樹脂を含浸しやすいことから、
このような長繊維マットに含浸する方法が行なわれてい
るが、この方法によれば、補強繊維の含有率を高くする
ことができないことおよび補強繊維のシート面方向の配
向度が低いため、コンポジットの力学的特性を十分に高
めることができないという欠点がある。

そこで、このような問題を解消するため、補強繊維と
熱可塑性樹脂繊維とを混合して、混繊糸とし、これをシ
ート状にしたものを、熱可塑性樹脂繊維が溶融流動する
温度にまで加熱してプレス成形することを試みられてい
る。このような熱可塑性コンポジットでは、溶融樹脂を
含浸させたものに比べて、補強繊維の含有率を著しく高
めることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の熱可塑性コンポジッ
トであっても、力学的強度が不十分な場合があり、従来
よりも高い力学特性を有する熱可塑性コンポジットが望
まれていた。

それゆえに、この出願に係る発明の目的は、従来より
も高い力学的強度を発揮させることのできる成形用の熱
可塑性コンポジットシートおよびその成形体を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段および作用］ 本発明者等は、熱可塑性コンポジットにおける力学的
強度を従来よりも向上させるため鋭意研究を行なった結
果、補強繊維と熱可塑性樹脂繊維との混繊糸を多軸積層
シートとすることにより、従来よりも大幅に力学的強度
が改善されることを見い出し、この出願に係る発明をな
すに至った。

すなわち、請求項１の発明は、補強繊維と熱可塑性樹
脂繊維との混繊糸から形成された多軸積層シートからな
る、成形用熱可塑性コンポジットシートである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に従う熱可塑性コ
ンポジットシートの成形体であり、補強繊維と熱可塑性
樹脂繊維との混繊糸から形成された多軸積層シートを、
熱可塑性樹脂繊維が溶融流動する温度にまで加熱してプ
レス成形した熱可塑性コンポジット成形体である。

この出願に係る発明に用いられる熱可塑性樹脂繊維と
しては、たとえば、ポリエチレンテレフタレート、ポリ
ブチレンテレフタレート、ナイロン66、ポリプロピレ
ン、全芳香族液晶型ポリエステル、ポリフェニレンサル
ファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテル
ケトンなどを繊維状にしたものが挙げられる。

繊維の配向度は、特に限定されるものではなく、高度
に分子配向している延伸糸、中程度に分子配向している
半延伸糸、分子配向が低い未延伸糸などのいずれでもよ
い。しかしながら、次の混繊工程に耐え得る程度の力学
特性を有していることが必要である。特に好ましい熱可
塑性樹脂繊維の例としては、分子配向度として、偏光ラ
マン分光計で測定した強度比I_XY/I_YYが3.0以上のポリエ
チレンテレフタレート繊維が好ましい。その典型的な具
体例としては、いわゆるポリエチレンテレフタレートの
部分的配向ヤーン（Partially Oriented Yarn）が挙げ
られる。偏光ラマン分光計で測定した強度比I_XY/I
_YYは、以下のようにして測定される値である。

すなわち、まずポリエチレンテレフタレート繊維を繊
維方向に張った状態で固定し、繊維中心部に１μｍに絞
ったビームを照射する。入射光の偏光は、繊維軸方向
（Ｙ）となるようにする。検光子により、散乱光の繊維
軸方向の偏光のピーク強度I_YYと、繊維軸と直角方向の
偏光のピーク強度I_XYを測定する。630cm^-1バンドで測定
したI_YY、I_XYの値を、1280cm^-1バンドで比較して、I_XY/
I_YYの値を求める。このように強度比I_XY/I_YYが3.0以上
のものを用いることが好ましい理由は、成形時の結晶化
速度を早め、機械的特性の良好な成形品が得られるから
である。

また、この出願に係る発明で用いられる補強繊維は、
特に限定されるものではないが、たとえばカーボン繊
維、ガラス繊維、アラミド繊維等の連続糸等が挙げられ
る。混繊糸を得る方法としては、補強繊維と、熱可塑性
樹脂繊維とを引き揃えて静電気的に開繊させつつ、両者
の単繊維同志を絡合させる方法や、引き揃えて空気噴出
乱流中を通過させ開繊絡合させる方法等が挙げられる。

この出願に係る発明においては、このようにして得ら
れた混繊糸から多軸積層シートを形成する。多軸積層シ
ートは、互いに異なった角度に一軸配向して引き揃えら
れた糸の複数層が積層し一体化されたシートである。こ
のような多軸積層シートとしては、たとえば二軸に直交
した糸の層を積層したものや、０゜/45゜/90゜／−45゜
／の４つに配向した糸の層を積層したものなどが挙げら
れる。

シートは、１枚または複数枚を、あるいはこれらと他
種のシートとを積層して、熱可塑性樹脂繊維の溶融流動
する温度にまでこれを加熱し、プレス成形する。多軸積
層シートと積層される他の種類のシートは、たとえば成
形体の表面の平滑性の向上、着色、装飾的効果付与、耐
候性向上等の目的で積層しプレス成形して一体化される
ものである。たとえば、耐候性付与の目的では、熱可塑
性樹脂繊維と同じ種類の樹脂フィルムに有効量の紫外線
吸収剤を混合したものを積層することができる。また電
磁波シールド性を付与する目的からは、電磁波シールド
効果のあるシートを表面または中間層に挿入して積層す
ることができる。また導電性付与の目的からは、補強繊
維の一部に導電性の繊維を用いて、混繊糸を形成しこれ
をシートにしたものを用いてもよい。表面平滑性を向上
させる目的からは、たとえば結晶核剤、無機粒子等を含
有するフィルムを積層させることができる。

請求項２の発明において、加熱しプレス成形する方法
としては、予め多軸積層シートを熱可塑性樹脂繊維の溶
融する温度以上に加熱した後、冷却しながらプレス成形
する方法と、プレス成形と加熱とを同時に行なう方法な
どが挙げられる。プレス装置の簡易さおよびプレス装置
の生産性の面からは前者の方が実用上好ましい。但し、
前者の場合は、熱可塑性樹脂繊維の加熱による収縮等で
多軸積層シートの寸法変化や平面性の崩れを引き起こす
おそれがあるため、ピンテンターで張力をかけながら加
熱しプレス機に供給することが好ましい。また、冷却し
ながらプレス成形する際には、熱可塑性樹脂繊維が溶融
し流動性を保ちながら補強繊維のまわりに移動して均一
化するように時間的に考慮する必要がある。

［発明の効果］ この出願に係る発明では、コンポジットシートとして
多軸積層シートを用いている。多軸積層シートは糸が直
線的に配列しているため、従来の平織物等に比べると、
有効に補強効果が発揮される。また、多軸積層シートを
積み重ねたシートが立体的に賦形加工される場合には、
層間の糸軸を容易に変角することができ、また層内の糸
間隔を拡げる自由度があるため、立体賦形加工を容易に
行なうことができるという長所がある。また、この場
合、シートの一体化に使用するスティッチ糸は溶融プレ
ス時に溶融する熱可塑性樹脂、特に熱可塑性樹脂繊維と
同種の樹脂であることが好ましい。

また、この出願に係る発明では、多軸積層シートを用
いているため、従来のSMC、射出成形品、スタンパブル
シートと比べると、補強繊維の分布状態が均一で高度に
制御された形態をとり得る。したがって、目的に適合す
るよう設計することができる。たとえば、バンパビーム
等の細長い形状の場合、一般に長手方向に配列した補強
繊維の割合が大きくなるようシートを配置しプレス成形
することができる。また、たとえば、マッチドダイ金型
によるプレス成形等によって目的とするコンポジットの
成形体が得られる。

また、熱可塑性樹脂繊維として、偏光ラマン分光計で
測定した強度比I_XY/I_YYが3.0以上である高度に配向した
ポリエチレンテレフタレート繊維を用いた場合には、こ
れを混繊糸とし多軸積層シートにして加熱しプレス成形
するため、補強繊維による補強効果が十分に発揮される
とともに、ポリエチレンテレフタレート繊維における配
向性がプレス成形後のコンポジットにも反映され得る。
したがって、さらに優れた力学的強度を発揮させること
ができる。

［実施例］ 実施例１ ポリエチレンテレフタレート繊維として、単糸の直径
が18μｍで、偏光ラマン分光計で測定した強度比I_XY/I
_YYが3.5である4550デニールの連続糸１本を用い、補強
繊維として単糸の直径12μｍのＥガラス繊維の1050デニ
ールの連続糸を用いて、混繊糸を作製した。ガラス繊維
の表面には、予め、ビニールシランカップリング剤とポ
リエステル系接着剤をアニオン系活性剤で乳化した表面
処理剤を、ガラス繊維に対して0.4％となるように付与
している。

混繊の方法としてはタスラン加工法により混繊した。
混繊条件は、ポリエチレンテレフタレート繊維をガラス
繊維に対して0.3％のオーバーフィードとなるように供
給し、混繊加工速度は100m/min、流体圧力は5.0kg/cm²
なるように混繊した。

得られた混繊糸は、糸軸方向０゜（マシン方向）:8.7
本/cm、糸軸方向45゜:2.3本/cm、糸軸方向90゜（幅方
向）:5.8本/cm、糸軸方向−45゜:2.3本/cm、および糸軸
方向０゜:8.7本/cmのそれぞれの層を形成し、これらの
５層をポリエチレンテレフタレート連続フィラメント
（75D/36フィラメント）でスティッチして一体化し、目
付け4.8kg/m²の0.5m幅の多軸積層シートを得た。シート
のマシン方向の長さが40cm、シート幅方向の長さが20cm
となるように多軸積層シートを切出し、この多軸積層シ
ートの端部をピンで固定して、160℃×30分加熱空気で
乾燥した。その後、引き続きピンで固定したまま赤外線
ヒータで280まで昇温し、直ちに加圧プレスして厚み2.5
mmの繊維強化ポリエチレンテレフタレートのシートを得
た。得られたシートについて力学的特性を測定したとこ
ろ、シートのマシン方向に曲げ強度88kgf/mm²、曲げ弾
性率3610kgf/mm²、アイゾット衝撃値142kgf・cm/cmであ
り、シート幅方向に曲げ強度49kgf/mm²、曲げ弾性率227
0kgf/mm²の値であった。これは、ガラスマットにポリプ
ロピレンを含浸した市販のスタンパブルシートの値、す
なわち曲げ強度16.5kgf/mm²、曲げ弾性率552kgf/mm²、
アイゾット衝撃値89kgf・cm/cmに比べて圧倒的に高い値
であり、極めて強靭なシートであることがわかった。

得られたシートを280℃まで昇温した後、50トンプレ
ス機でマッチドダイ法によりプレス成形した。直径5c
m、高さ2.5cmの半球状の突起のある表面が平滑な成形体
を得ることができた。

上記の実施例では、多軸積層シートの端部を固定し加
熱しているが、多軸積層シートの端部を固定することな
く、フリーな状態で、160℃×30分加熱空気で乾燥後、
引き続きそのまま赤外線ヒータで280℃まで昇温してみ
た。その結果、機械的強度については上記実施例と同様
のものが得られた。しかし、シートは大きく収縮し、引
きつれが生じ、シート表面に皺が生じた。

また、スティッチ糸として200Dのアラミド繊維を用い
て、多軸積層シートを作製し、上記の実施例と同一の条
件で加熱プレス成形して熱可塑性コンポジットのシート
を得た。これをマッチドダイによりプレス成形を試みた
ところ、従来よりも高い力学的強度を有するものは得ら
れたが、成形された半球状突起は均整の面でやや劣って
いた。

比較例１ 上記の実施例と同様の混繊糸を用いて、目付け960g/m
²の平織物を作り、40cm×20cmに裁断し、この平織物を
縦横が揃うように５層に重ねその端部をピンで固定して
上記実施例１と同様の方法で加熱プレス成形し、厚み0.
52mmの繊維強化ポリエチレンテレフタレートのシートを
得た。このシートを用いて上記の実施例１と同様に、半
球状の突起成形体を成形したところ、シートが破れてし
まい成形体を得ることができなかった。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】補強繊維と、熱可塑性樹脂繊維との混繊糸
   から形成された多軸積層シートからなることを特徴とす
   る、成形用熱可塑性コンポジットシート。
2. 【請求項２】補強繊維と熱可塑性樹脂繊維との混繊糸か
   ら形成された多軸積層シートを、前記熱可塑性樹脂繊維
   が溶融流動する温度に加熱してプレス成形したことを特
   徴とする、熱可塑性コンポジット成形体。