JP4000253B2 - 担持シート付きプリプレグ、及びプリプレグ用担持シート - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、担持シートの片面に、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグが形成された担持シート付きプリプレグ、及びプリプレグ用担持シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
強化繊維と熱硬化型樹脂とからなる繊維強化複合材は、軽量で優れた機械特性を有することから、釣竿、ゴルフシャフト等のスポーツレジャー用部材、航空機、自動車、船舶、建築物等の部材として広く用いられている。
かかる繊維強化複合材は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の強化繊維に含浸させ、半硬化状態とした、シート状等の繊維強化熱硬化性樹脂プリプレグを複数積層させた後、加熱・加圧し、プリプレグを硬化することにより製造されている。なお、本明細書では、「繊維強化熱硬化性樹脂プリプレグ」のことを単にプリプレグと称す。
【０００３】
このように繊維強化複合材を製造する際に用いて好適なプリプレグは、一般に、強化繊維若しくは強化繊維の織物等を、あらかじめ片面に熱硬化性樹脂を塗布しておいた２枚の担持シート間に挟持させ、加熱・加圧し、繊維に樹脂を含浸させた後、一方の担持シートを剥離し、プリプレグを１枚の担持シートに保持させた担持シート付きプリプレグの形態で製造されている。そして、この担持シート付きプリプレグの形態で、搬送・保管され、繊維強化複合材を製造する直前に、残りの担持シートを剥離して使用されるようになっている。
【０００４】
ところで、機械的特性の低下を防ぐためには、ボイドのない緻密な繊維強化複合材を製造することが重要である。しかしながら、複数のプリプレグを積層させて繊維強化複合材を製造する場合には、積層された複数のプリプレグの層間に、空気や熱硬化性樹脂から揮発した揮発物等の気体が取り込まれるため、この気体が成形後の繊維強化複合材内に残留し、比較的大きな層間ボイドが形成されやすいという問題があった。なお、ボイドとしては、プリプレグの層内に形成される層内ボイドもあるが、層内ボイドは微小であり、繊維強化複合材の機械的特性に対する影響は無視できる程度に小さい。
そのため、層間ボイドの形成を抑制するために、従来は、一枚若しくは複数枚のプリプレグを積層する度に、ピンやカツター刃などを用いて通気孔を形成したり、樹脂フィルム等により被覆し、内部を真空状態にするなどして、脱気を行う必要があり、製造プロセスが複雑化するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明者らは、特許２８０７８９１号において、脱気作業を行うことなく、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を製造することが可能なプリプレグとして、少なくとも片面に複数の溝部を有するプリプレグを提案している。本発明者らは、かかる構成のプリプレグを複数積層して繊維強化複合材を製造することにより、複数設けた溝部が積層されたプリプレグの層間の通気孔として機能し、自然に脱気が行われるため、脱気作業を行うことなく、簡易に層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を製造することができることを見出した。
なお、複数の溝部を有するプリプレグは、プリプレグの表面に、溝部の形状や形成位置に対応した凸部を有する溝付きロール等を押圧することにより、製造することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の溝部を有するプリプレグでは、以下のような問題点があった。
すなわち、プリプレグは搬送・保管され、製造からある程度期間が経った後、繊維強化複合材の製造に使用されることが一般的であるが、プリプレグを構成する熱硬化性樹脂は上述のように半硬化状態であるため、プリプレグの製造時に複数の溝部を形成しても、時間の経過と共に、溝部の深さが浅くなり、繊維強化複合材を製造する際に、積層されたプリプレグの層間の通気孔としての機能が低下して、気体が残留し、層間ボイドが形成される恐れがあった。
【０００７】
また、プリプレグが溝部に沿って裂けるなど、機械的強度が低下する恐れや、製造される繊維強化複合材の表面に、僅かながらも溝部の形状が残ってしまう恐れもあった。また、溝付きロールが必要になるなど、従来に比較して、プリプレグの製造装置が複雑化するという問題もあった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、（１）製造から長期間経過した場合においても、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を簡易にかつ安定して製造することができると共に、（２）十分な機械的強度を有し、（３）製造される繊維強化複合材の表面形状に影響を与える恐れがなく、（４）簡易に製造することが可能なプリプレグを得ることが可能な手段を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するべく検討を行った結果、以下のプリプレグ用担持シート、及び担持シート付きプリプレグを発明するに到った。
本発明のプリプレグ用担持シートは、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを担持するためのプリプレグ用担持シートにおいて、少なくともプリプレグを担持する側の表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であることを特徴とする。また、本発明のプリプレグ用担持シートにおいて、少なくともプリプレグを担持する側の表面の表面粗さが２０μｍ以下であることが好ましい。
なお、本明細書において、「表面粗さ」とは、（株）ミツトヨ製のｓｕｒｆｔｅｓｔ ４０２を用い、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に基づき、基準長さを２．５ｍｍとした時に測定される十点平均粗さ（Ｒｚ）を意味しているものとする。
【００１０】
上記構成のプリプレグ用担持シートを用いることにより、以下の本発明の担持シート付きプリプレグを提供することができる。
本発明の担持シート付きプリプレグは、担持シートの片面に、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグが形成された担持シート付きプリプレグにおいて、前記担持シートの前記プリプレグ側表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であると共に、該担持シートの表面形状に沿って前記プリプレグが形成されていることを特徴とする。また、本発明の担持シート付きプリプレグにおいて、前記担持シートの前記プリプレグ側表面の表面粗さが２０μｍ以下であることが好ましい。
なお、本明細書において、「担持シート付きプリプレグ」とは、この形態で搬送・保管され、繊維強化複合材の製造直前に、担持シートを剥離してプリプレグを得ることが可能な形態のものを意味しているものとする。
【００１１】
また、本発明の担持シート付きプリプレグにおいて、前記担持シートとしては、少なくとも前記プリプレグ側表面が離型性を有する離型紙が特に好適である。また、本発明者は、このように、担持シートとして離型紙を用いる場合には、担持シートの膜厚を従来と同等の７０〜１４０μｍとしても、坪量を従来よりも軽い、６５〜１３０ｇ／ｍ²とすることができることを見出した。
【００１２】
本発明者は、以上の本発明のプリプレグ用担持シート、担持シート付きプリプレグを用いることにより、製造から長期間経過した場合においても、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を簡易にかつ安定して製造することができると共に、十分な機械的強度を有し、製造される繊維強化複合材の表面形状に影響を与える恐れがないプリプレグを提供することができることを見出した。また、本発明のプリプレグ用担持シート、担持シート付きプリプレグを用いることにより、かかる特性を有するプリプレグを簡易に製造することができることを見出した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
（プリプレグ用担持シート）
本発明のプリプレグ用担持シートは、少なくともプリプレグを担持する側の表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であることを特徴としている。また、本発明のプリプレグ用担持シートにおいて、少なくともプリプレグを担持する側の表面の表面粗さが２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
従来は、耐熱性を有することなどから、担持シートとして、シリコーン樹脂等の離型剤を含浸させた紙等からなり、少なくともプリプレグを担持する側の表面が離型性を有する離型紙が広く用いられている。離型紙は、最後に、スーパーカレンダーロールを用いて、表面の微細な凹凸を機械的に潰す艶出し工程を経て製造されるため、その表面は平滑なものとなっているが、本発明者が、市販のプリプレグ用の離型紙の表面粗さを測定したところ、６μｍ以下であることが判明した。したがって、本発明のプリプレグ用担持シートは、少なくともプリプレグを担持する側の表面が、従来の担持シートよりも粗面化されていることが特徴的なものとなっている。
なお、上述のように、担持シートとしては離型紙が特に好適であるが、表面に多数の微細な凹凸が形成され、表面粗さが８μｍ以上の離型紙は、離型紙を製造する際の最後の艶出し工程を省くことにより製造することができ、離型紙の製造プロセスをほとんど変えることなく簡易に製造することができる。
【００１５】
以上の構成の本発明のプリプレグ用担持シートを用いることにより、以下の本発明の担持シート付きプリプレグを提供することができる。
（担持シート付きプリプレグ）
本発明の担持シート付きプリプレグは、担持シートのプリプレグ側表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であると共に、該担持シートの表面形状に沿ってプリプレグが形成されていることを特徴としている。また、本発明の担持シート付きプリプレグにおいて、担持シートのプリプレグ側表面の表面粗さが２０μｍ以下であることが好ましい。
つまり、本発明の担持シート付きプリプレグは、前述の本発明のプリプレグ用担持シートのプリプレグを担持する側の表面に、その表面形状に沿ってプリプレグが形成されたものである。
【００１６】
このように、本発明の担持シート付きプリプレグは、プリプレグが、粗面化された担持シートの表面形状に沿って形成されたものであるので、本発明の担持シート付きプリプレグを構成するプリプレグは、担持シート側の表面に、多数の微細な凹凸が形成され、粗面化されたものとなっている。また、プリプレグの表面粗さは担持シートの表面粗さと略同一になっている。
【００１７】
本発明者は、かかる構成の担持シート付きプリプレグを用いて繊維強化複合材を製造することにより、プリプレグの片面に形成された多数の微細な凹部が、積層されたプリプレグの層間の通気孔として機能するため、自然に脱気が行われ、脱気作業を行うことなく、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を簡易にかつ安定して製造することができることを見出した。
また、本発明の担持シート付きプリプレグを構成するプリプレグには、その全面に渡って多数の微細な凹凸が形成されているので、繊維強化複合材の製造時に、全面に渡って自然に脱気を行うことができ、複数の溝部を設ける場合と比較して、脱気効率を向上できることを見出した。その結果、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を、より簡易にかつ安定して製造することができることを見出した。
【００１８】
さらに、本発明の担持シート付きプリプレグは、この形態で搬送・保管され、繊維強化複合材の製造直前に担持シートを剥離して使用されるため、プリプレグに形成された多数の微細な凹凸は、繊維強化複合材の製造直前まで担持シートにより完全に保持されることになる。そのため、製造から長期間経過した場合においても、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を安定して製造することができる。
【００１９】
また、本発明者は、本発明の担持シート付きプリプレグを構成するプリプレグには、その全面に渡って多数の微細な凹凸が形成されているので、複数の溝部を設ける場合に比較して、凹部の深さをはるかに浅くすることができ、表面粗さが８μｍ以上で上記効果が得られることを見出した。なお、担持シートの表面粗さが８μｍ未満では、プリプレグの片面に形成された微細な凹部の通気孔としての機能が低下し、上記効果を安定して得られない恐れがあり、好ましくない。
また、プリプレグに形成される凹部の深さを浅くすることができる結果、プリプレグに形成された多数の微細な凹凸の形状が、製造される繊維強化複合材の表面に残ってしまう恐れもない。また、複数の溝部を設ける場合と異なり、プリプレグが裂ける恐れもない。
【００２０】
また、担持シートの表面粗さが粗い程、プリプレグの表面粗さを粗くすることができ、繊維強化複合材の製造時に高い脱気効果が得られるが、担持シートの表面粗さが２０μｍ超になると、本発明の担持シート付きプリプレグから担持シートを剥離する際に、担持シートの微細な凹部に入り込んだプリプレグの熱硬化性樹脂が担持シート側に残留する恐れがあるため、好ましくない。また、担持シートとして、離型紙を用いる場合には、離型紙の表面粗さを２０μｍ超にすることが製造上困難であるという問題もある。
【００２１】
また、担持シートとしては離型紙が特に好適であり、表面に多数の微細な凹凸が形成され、表面粗さが８μｍ以上の離型紙は、離型紙を製造する際の最後の艶出し工程を省くことにより、簡易に製造することが可能であることを述べたが、一般に、離型紙を製造する際には、艶出し工程において、表面の微細な凹凸を機械的に潰して平滑化しているので、艶出し工程前に比較して艶出し工程後の離型紙の厚みは薄くなり、プリプレグ用に市販されている離型紙の厚みは、一般に７０〜１４０μｍ、坪量は７０〜１４０ｇ／ｍ²となっている。これに対して、本発明では、艶出し工程を経ずに製造される離型紙を担持シートとして用いれば良いので、従来と同等の厚みである７０〜１４０μｍとしても、坪量を従来よりも軽い、６５〜１３０ｇ／ｍ²とすることができる。したがって、離型紙の原料量を削減することができると共に、繊維強化複合材の製造時に廃棄される離型紙量を削減することができ、環境面からも優れている。
但し、従来と同程度の坪量としても良く、この場合には、従来よりも厚みが厚くなるので、離型紙の機械的強度を向上させることができる。
【００２２】
このように担持シートとして離型紙を用いることにより、離型紙を製造する際の艶出し工程を省くだけで、本発明のプリプレグ用担持シートを簡易に得ることができると共に、離型紙の原料量や繊維強化複合材の製造時に廃棄される離型紙量を削減することができるという効果が得られ、好適であるが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の担持シート付きプリプレグの製造プロセスにおける最高加熱温度に耐え得るだけの耐熱性を有し、少なくとも片面に多数の微細の凹凸が形成され、その表面粗さが８μｍ以上であり、離型性を有するものであれば、いかなる材質の担持シートを用いても良い。
【００２３】
また、本発明者は、表面が粗面化された担持シートを用いた本発明の担持シート付きプリプレグは、平滑な担持シートを用いたものに比較して、担持シートとプリプレグとの密着性が低く、繊維強化複合材の製造時に担持シートを剥離しやすく、繊維強化複合材の生産効率を向上できるという効果も得られることを見出した。
【００２４】
また、本発明の担持シート付きプリプレグは、担持シートを変えるだけで、従来のプリプレグの製造プロセスを何ら変えることなく簡易に製造することができるので、従来のプリプレグの製造装置をそのまま利用することができ、好適である。
【００２５】
以下、図１に基づいて、本発明の担持シート付きプリプレグを製造する際に用いて好適な製造装置、及びこの製造装置を用いた担持シート付きプリプレグの製造方法について簡単に説明する。なお、以下に説明する製造装置や製造方法は一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に示す製造装置は、炭素繊維等の強化繊維を供給するクリール１と、クリール１から供給された強化繊維を一方向に揃えるためのコーム２と、片面にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が塗布された担持シートを供給する巻出しロール３、４と、所定の温度に加熱されたニップロール５、６、７と、巻出しロール３から供給された担持シートを巻取る巻取りロール８と、製造された担持シート付きプリプレグを巻取る巻取りロール９とを具備して構成されている。
【００２６】
以上のように概略構成された製造装置を用い、以下のようにして、担持シート付きプリプレグを製造することができる。
クリーム１から供給され、コーム２により一方向に揃えられた強化繊維１０に対して、巻出しロール３、４から、それぞれ片面に熱硬化性樹脂が塗布された担持シート２０、３０を供給し、片面に熱硬化性樹脂が塗布された２枚の担持シート２０、３０により、強化繊維１０を挟持させる。このとき、熱硬化性樹脂が塗布された側の面が強化繊維１０側に位置するように、熱硬化性樹脂が塗布された担持シート２０、３０を供給する。続いて、ニップロール５、６、７により加熱・加圧することにより、熱硬化性樹脂を強化繊維１０に含浸させ、２枚の担持シートに挟持されたプリプレグが得られる。次いで、巻出しロール３から供給された担持シートのみを剥離し、巻取りロール８により巻き取ることにより、担持シート付きプリプレグ１１が得られるので、これを巻取りロール９により巻き取ることにより、担持シート付きプリプレグ１１を製造することができる。
このように、図１に示す製造装置では、巻出しロール３から供給された担持シートは剥離され、巻出しロール４から供給された担持シートのみが残るので、少なくとも巻出しロール４から供給する担持シートとして、本発明の担持シートを用いることにより、本発明の担持シート付きプリプレグを簡易に製造することができる。
【００２７】
以上説明したように、本発明のプリプレグ用担持シート及び担持シート付きプリプレグを用いることにより、製造から長期間経過した場合においても、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を簡易にかつ安定して製造することができると共に、十分な機械的強度を有し、製造される繊維強化複合材の表面形状に影響を与える恐れがないプリプレグを提供することができる。また、本発明のプリプレグ用担持シート及び担持シート付きプリプレグを用いることにより、かかる特性のプリプレグを、従来のプリプレグの製造プロセスを何ら変えることなく簡易に製造することができる。
【００２８】
なお、１枚の担持シートを有する担持シート付きプリプレグを取り上げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、２枚の担持シートでプリプレグを挟持した構造の担持シート付きプリプレグにも適用可能である。この場合には、担持シート付きプリプレグを製造する際に１枚の担持シートを剥離せずに、２枚の担持シートでプリプレグを挟持した状態で巻き取れば良い。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
（実施例）
本発明の担持シートとして、艶出し工程を省くことにより、表面粗さが１２μｍの２枚の離型紙を作製し、それぞれの片面に、２５０°Ｆ硬化型エポキシ樹脂を塗布した。この２枚の離型紙と、引張強度が４４１０ＭＰａ、弾性率が２３５ＧＰａ、１２０００フィラメントの炭素繊維とを用い、図１に示したのと同様の製造装置を用いて、本発明の担持シート付きプリプレグを製造した。なお、繊維目付１５０ｇ／ｍ²、樹脂含有率３５質量％のプリプレグを製造するように、製造条件を設定した。
得られた担持シート付きプリプレグから離型紙を剥離し、３枚のプリプレグを±４５°に積層した後、外径１０ｍｍφの鉄製マンドレルに巻き付け、最外層のプリプレグの外側にさらに、厚さ３０μｍ、幅１５ｍｍのポリプロピレンフィルムテープを張力４ｋｇ／１５ｍｍで巻き付けた。次いで、１３０℃で１時間加熱することにより、長さ５００ｍｍのパイプ状の繊維強化複合材を成形した。
【００３０】
（比較例）
担持シートとして、艶出し工程を経た、表面粗さが６μｍの市販の離型紙を用いた以外は実施例と同様にして、担持シート付きプリプレグ、及び繊維強化複合材を作製した。
【００３１】
（評価及び結果）
実施例、比較例において用いた離型紙の表面粗さ、得られたプリプレグの繊維目付、樹脂含有率を表１に示す。
また、得られた繊維強化複合材を長手方向に１００ｍｍ毎に４箇所切断し、各断面を研磨した後、光学顕微鏡により観察し、３０μｍ以上の径の層間ボイド数を数え、その平均を計算した結果を表１に合わせて示す。
表１に示すように、担持シートとして、表面粗さが１２μｍの離型紙を用いた実施例では、いずれの断面においても層間ボイドが全く観察されなかったのに対し、担持シートとして、表面粗さが６μｍの離型紙を用いた比較例では、層間ボイドが平均で１５個観察され、本発明によれば、層間ボイドのない繊維強化複合材を安定して製造することができることが判明した。
なお、本発明者は表面粗さが８μｍ以上の離型紙を用いることにより、同様の結果が得られることを確認している。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のプリプレグ用担持シート及び担持シート付きプリプレグを用いることにより、製造から長期間経過した場合においても、層間ボイドのない緻密な繊維強化複合材を簡易にかつ安定して製造することができると共に、十分な機械的強度を有し、製造される繊維強化複合材の表面形状に影響を与える恐れがないプリプレグを提供することができる。また、本発明のプリプレグ用担持シート及び担持シート付きプリプレグを用いることにより、かかる特性のプリプレグを、従来のプリプレグの製造プロセスを何ら変えることなく簡易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の担持シート付きプリプレグを製造する際に用いて好適な製造装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 強化繊維
２０、３０ 熱硬化性樹脂を塗布した担持シート
１１ 担持シート付きプリプレグ
１ クリール
２ コーム
３、４ 巻出しロール
５、６、７ ニップロール
８、９ 巻取りロール

Claims (6)

1. 担持シートの片面に、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグが形成された担持シート付きプリプレグにおいて、
   前記担持シートの前記プリプレグ側表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であると共に、該担持シートの表面形状に沿って前記プリプレグが形成されていることを特徴とする担持シート付きプリプレグ。
2. 前記担持シートの前記プリプレグ側表面の表面粗さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の担持シート付きプリプレグ。
3. 前記担持シートが、少なくとも前記プリプレグ側表面が離型性を有する離型紙であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の担持シート付きプリプレグ。
4. 前記担持シートの膜厚が７０〜１４０μｍ、坪量が６５〜１３０ｇ／ｍ²であることを特徴とする請求項３に記載の担持シート付きプリプレグ。
5. 強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを担持するためのプリプレグ用担持シートにおいて、
   少なくともプリプレグを担持する側の表面に多数の微細な凹凸が形成されており、その表面粗さが８μｍ以上であることを特徴とするプリプレグ用担持シート。
6. 少なくともプリプレグを担持する側の表面の表面粗さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のプリプレグ用担持シート。

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