JP4213164B2 - 耐熱性複合材の硬化前処理方法および耐熱性複合材成形品 - Google Patents

Description

本願発明は、耐熱性複合材の熱硬化時に発生し得るボイドの抑制に関し、これを硬化前処理としてする方法、および該方法により処理された耐熱性複合材成形品に関する。

たとえば、アミド酸ウェットプリプレグという耐熱性プリプレグがある。アミド酸ウェットプリプレグは、図１に示すように、アミド酸オリゴマーをマトリックス樹脂とし、これに溶媒を加えてウェットとしたものを強化繊維に含浸させてなるものである。

ウェットタイプのプリプレグは、一般的なプリプレグであり、タックネスを付与したものである。タックネスとは、表面の粘りであり、レイアップのときなどに必要な性質である。

一般には、熱硬化性プリプレグの場合、約１２０℃／約１８０℃まで一気に加熱して硬化処理するが、このアミド酸ウェットプリプレグのような耐熱性プリプレグの場合には、次のように２段階の加熱工程を経る。

＜加熱初期段階（イミド化反応）＞
まず、一旦、約２５０℃以下の所定の温度まで加熱してイミド化反応を起こさせ、イミドオリゴマーを得る（加熱初期段階）。この加熱初期段階においては、材料に含まれた溶媒の揮発と、副生成物としての水の発生とによって粘度が低下する（図２中に“A”で示す領域）。この低粘度化によってマトリックス樹脂が流出するが、流出の程度が過大で、適正な樹脂量（たとえば、約４０％重量）を確保できない場合には必要な強度を得ることができない。

＜加熱後期段階（硬化反応領域）＞
その後、約２５０℃〜約４００℃まで加熱して硬化反応を起こさせ、アミド酸ウェットプリプレグを得る（加熱後期段階）。一般に、プリプレグを構成する強化繊維にはサイジング剤が含まれている。サイジング剤は、強化繊維の毛羽の発生を抑え、取り扱い性を向上させる。通常のプリプレグの場合、熱硬化温度は、約１２０℃／約１８０℃なので問題はないが、ここで言うような耐熱性プリプレグの場合、硬化温度が約２５０℃〜約４００℃と高いため、硬化温度で加熱されると、サイジング剤の揮発が顕著になる。このサイジング剤の活発な揮発により、硬化後の成形品にはボイドの発生が顕著となり（図３中の黒い領域、“B”で示す）、著しい強度低下の原因となる。
特開２００３−２９２６１９号公報

本願発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ボイドの発生を抑えることができる耐熱性複合材の硬化前処理方法および耐熱性複合材成形品を提供することを目的とする。

本願発明に係る耐熱性複合材の硬化前処理方法は、耐熱性複合材に含まれるサイジング剤を熱硬化処理前に除去する方法であって、前記サイジング剤は揮発するが前記耐熱性複合材は硬化しない第１の温度に該耐熱性複合材を加熱するサイジング剤除去処理をすることを特徴とする。これによって、サイジング剤に起因するボイドの発生を抑制することができる。

前記第１の温度は、約２００℃〜約３００℃であることが可能であり、たとえば、約２６０℃である。前記第１の温度にまで加熱した後、この温度を５時間程度維持することも可能である。加熱温度が前記第１の温度に達するまでの間に前記耐熱性複合材を真空引きすることも可能である。

前記耐熱性複合材の硬化温度は、約２５０℃〜約４００℃であることが可能であり、たとえば、約３７０℃である。

前記耐熱性複合材は、ポリイミド複合材であることが可能であり、たとえば、アミド酸ウェットプリプレグである。

前記耐熱性複合材は、これに溶媒が含まれているウェット型の耐熱性複合材であり、前記サイジング剤除去処理の前に、前記耐熱性複合材の硬化温度よりも低い第２の温度まで加熱して、前記耐熱性複合材に含まれる溶媒および水分を揮発させることが可能である。これによって、樹脂漏れに起因するボイドの発生を抑制することができる。

前記第２の温度までは、樹脂量が重量比約１５％以上を維持するように加熱することが可能である。前記第２の温度までは、温度上昇率約０．１℃／分〜約１．０℃／分で加熱することも可能である。望ましくは、約０．５℃／分である。

前記第２の温度は、約５０℃〜約２３０℃であることが可能であり、前記第２の温度まで加熱した後で、急冷することも可能である。

前記急冷は、約−５℃／分を超える冷却速度であることが可能である。

前記耐熱性複合材は、板状材料であることが可能であり、この場合には、前記第１の温度に加熱する際に、この加熱による揮発分を約９０％以上除去することを許容するような通気性を有した成形用フィルムで板面部を両側から挟まれて密閉されることが可能である。

また同様に、前記耐熱性複合材が板状材料である場合には、前記第２の温度まで加熱する際に、樹脂量の流出減少を抑えるべく密閉性を確保し、且つ、前記揮発を許容するための適度な通気性を有するように、孔径が約０．１ｍｍ〜約２．０ｍｍで、孔間隔が約５ｍｍ〜約２０ｍｍの穴あきテフロン（登録商標）フィルムで端縁部を包まれることが可能である。なお、前記樹脂量の流出減少は、約５ｗｔ％以下とすることが可能である。

上記の場合には、前記耐熱性複合材は、外側が大面積で、内側が小面積の一対の粗いテフロン（登録商標）フィルムで板面部を両側からそれぞれ挟まれて密閉され、前記粗いテフロン（登録商標）フィルム間には、その面粗さによって、前記揮発を許容するための極小さな隙間が形成される一方、前記粗いテフロン（登録商標）フィルムのうち、内側に位置する２枚の小面積の粗いテフロン（登録商標）フィルム間は、その間に位置する前記穴あきテフロン（登録商標）フィルムとは直接接触することなく、シーラントテープで密封されることが可能である。

本願発明に係る別の耐熱性複合材の硬化前処理方法は、ウェット型の耐熱性複合材の硬化温度よりも低い第２の温度まで加熱して、前記耐熱性複合材に含まれる溶媒および水分を揮発させることを特徴とする。

前記第２の温度までは、樹脂量が重量比約１５％以上を維持するように加熱することが可能である。前記第２の温度までは、温度上昇率約０．１℃／分〜約１．０℃／分で加熱することも可能である。望ましくは、約０．５℃／分である。

前記耐熱性複合材は、板状材料であることが可能であり、この場合には、前記第２の温度まで加熱する際に、樹脂量の流出減少を抑えるべく密閉性を確保し、且つ、前記揮発を許容するための適度な通気性を有するように、孔径が約０．１ｍｍ〜約２．０ｍｍで、孔間隔が約５ｍｍ〜約２０ｍｍの穴あきテフロン（登録商標）フィルムで端縁部を包まれることが可能である。なお、前記樹脂量の流出減少は、約５ｗｔ％以下とすることが可能である。

上記の場合には、前記耐熱性複合材は、外側が大面積で、内側が小面積の一対の粗いテフロン（登録商標）フィルムで板面部を両側からそれぞれ挟まれて密閉され、前記粗いテフロン（登録商標）フィルム間には、その面粗さによって、前記揮発を許容するための極小さな隙間が形成される一方、前記粗いテフロン（登録商標）フィルムのうち、内側に位置する２枚の小面積の粗いテフロン（登録商標）フィルム間は、その間に位置する前記穴あきテフロン（登録商標）フィルムとは直接接触することなく、シーラントテープで密封されることが可能である。

上記のいずれかの方法により前記耐熱性複合材を前処理し、その後、熱硬化処理することによって耐熱性複合材成形方法も可能であり、この結果、耐熱性複合材成形品が得られる。

上記発明の方法によれば、この方法により前処理され、その後、熱硬化処理された、サイジング剤に起因するボイドの発生および／または樹脂漏れに起因するボイドの発生を抑制された耐熱性複合材成形品を提供することができる。
少なくともサイジング剤に起因するボイドの発生を抑えることができる。

以下、本願発明に係る耐熱性複合材の硬化前処理方法および耐熱性複合材成形品について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

本実施の形態においては、耐熱性複合材の一例として、アミド酸ウェットプリプレグを処理対象としている。本願発明に係る硬化前処理方法は、耐熱性複合材以外の複合材にも適用可能であるが、前述したように、サイジング剤の揮発が活発に生じる高い温度域にその硬化温度を有する耐熱性複合材に適用した場合により効果が大きい。

アミド酸ウェットプリプレグは、図１にも示したように、一般には、約２５０℃以下の加熱でイミド化反応を起こし（加熱初期段階）、約２５０℃〜約４００℃の加熱で硬化反応を起こす（加熱後期段階）。ここでは、材料が硬化反応を開始する温度を硬化温度と称している。

本願発明の実施の形態に係る硬化前処理は、基本的には、加熱初期段階の後で次のように実施される。

＜粘度調整処理工程＞
まず、加熱初期段階で粘度低下の原因となる溶媒と、この段階で発生した水とを揮発させ、温度が上がっても図２に“A”で示した領域のような大きな粘度低下が発生しないように下処理をする。

具体的には、たとえば、図４（ａ）に示すように、常温（約２０℃）から非常に緩やかな割合で材料を加熱する。温度上昇率は、約０．１〜約１℃／分（たとえば、約０．５℃／分）と緩やかであり、温度上昇に伴う樹脂の流出が発生しない程度にしてある。

通常の加熱では、図２に示したように、イミド化反応領域では温度上昇に伴って材料の粘度は低下していくだけだが、本実施の形態のように緩やかで長時間（たとえば、約２２０分）加熱することにより、加熱初期段階で粘度低下の原因となる溶媒が揮発する。さらには、この溶媒と共に、この段階で発生する水も同時に揮発する。

溶媒と水の揮発により、材料の粘度低下レベルは底上げされる。つまり、図２に“A”で示した低粘度化領域を実質的に無くして、次の揮発分除去処理工程で温度を上昇させても粘度が低下しないように材料を処理することができる。

この緩やかな温度上昇は、材料中の溶媒および水が揮発し、且つ、これら溶媒および水の影響を受けずに通常の温度上昇のときのように粘度が却って低下し始める温度よりも低い温度（第２の温度：約５０℃〜約２３０℃の範囲で、たとえば、約１３０℃）まで継続される。そして、第２の温度まで加熱された後、材料は急冷される。この急冷は、約−５℃／分を超える冷却速度であることが好ましく、この粘度調整処理工程の効果を促進する。

なお、粘度低下に伴う材料の流出を避けるためにバッグ内圧力は、約−２００ｍｍＨｇに抑えられている。

この粘度調整処理工程は、材料の粘度低下レベルを底上げして、次の揮発分除去処理工程で再び加熱しても流出が発生しないように調質することが目的であり、このような低粘度化が発生しない、あるいはその程度が小さい材料であれば、この工程を省略することも可能である。

粘度調整処理工程は、たとえば、図５（ａ）に示すような装置構成で実施される。たとえば、平板状の材料1は、樹脂量の流出減少を５ｗｔ％以下に抑え、密封性を確保し適度な通気性を有するように、孔径が約０．１ｍｍ〜約２．０ｍｍで孔間隔が約５ｍｍ〜約２０ｍｍの穴あきテフロン（登録商標）フィルム2で幅方向の両端縁部を包まれ、これら端縁部は、鉄製のダム3により押さえられる。このダム3ごと、材料1は、幅寸法の異なる２枚ずつの粗いテフロン（登録商標）フィルム4A，4Bで上下から挟まれて極小さな隙間をつくり、また、これら上下のテフロン（登録商標）フィルム4A，4B間は、樹脂漏れを防ぐためにシーラントテープ5Aで密封される。

テフロン（登録商標）フィルム4Aの上には鉄製のカウルプレート6が配置され、これらすべてのものが平板7との間でバギング用フィルム8により覆われ、シーラントテープ5Bで密封される。

＜揮発分除去処理工程＞
次に、硬化成形処理工程に先立って、サイジング剤を揮発させる。これは、図４（ｂ）に示すような先の粘度調整処理工程よりも高い温度（第１の温度：約２００℃〜約３００℃の範囲で、たとえば、約２６０℃）の加熱により達成する。第１の温度は、材料の硬化が始まらない可及的に高い温度である。アミド酸ウェットプリプレグの場合、硬化温度は、約２５０℃〜約４００℃の範囲内にあり、ここでは、約３７０℃であるものとして、第１の温度は約２６０℃に設定している。

第１の温度までは、約１〜約３℃／分（たとえば、約１℃／分）と比較的緩やかな上昇率で加熱される。この揮発分除去処理工程における温度上昇率は、先の粘度調整処理工程よりも大きいが、それでも通常の硬化成形処理工程の温度上昇率（約３〜約５℃／分）よりも小さい。

第１の温度は、サイジング剤が揮発するまでの十分な時間保持され、ここでは、約５時間としている。また、その後、たとえば約−５℃／分で冷却される。

なお、この揮発分除去処理工程では、先の粘度調整処理工程より残留している溶媒および水も揮発する。

本工程では、バッグ内は、当初は、流出を避けるために比較的低い真空圧に抑えられている（約−１５０ｍｍＨｇ）。しかし、粘度が再び上昇する温度（たとえば、約１５０℃。図２参照）からは、さらに真空状態（たとえば、約−６００ｍｍＨｇ）とし、サイジング剤が揮発してできる空間（ボイド）を無くすように揮発分を抜き去る。

揮発分除去処理工程は、たとえば、図５（ｂ）に示すような装置構成で実施される。たとえば、先の粘度調整処理された材料1は、幅方向の両端縁部を鉄製のダム3により押さえられ、このダム3ごと、テフロン（登録商標）コーティングされたガラスクロス41、ガラスクロスフィルム42の順で上下から挟まれる。これは、揮発分を９０％以上除去するため、なるべく通気性の良い成形用フィルムを用いる目的からである。なお、ここでいう揮発分とは、残留している溶媒、水、およびサイジング剤を指している。

上側のガラスクロスフィルム42の上には、鉄製のカウルプレート6、ブリーザー9の順で配置され、これらすべてのものが平板7との間でバギング用フィルム8により覆われ、シーラントテープ5Bで密封される。

なお、サイジング剤を含まない場合には、この揮発分除去処理工程は省略することが可能である。

＜硬化成形処理工程＞
最後に、硬化成形処理を施す。粘度調整処理工程により低粘度化の心配が少なくなっているので、ここでは、図４（ｃ）に示すように、比較的速い割合（約５℃／分）で材料の硬化温度まで上昇させることができる。硬化成形処理工程では、この材料の硬化温度（約３７０℃）まで加熱する。この温度は、約１時間保持され、その後、繊維とマトリックス間の熱膨張差によるクラックを抑制するために降温速度を下げ、たとえば約−３℃／分で冷却される。

本工程では、材料の粘度はすでに比較的高いため、バッグ内は、高い真空状態（たとえば、−６００ｍｍＨｇ）とされる。なお、オートクレーブ装置の缶内加圧は、約２６５℃の時点で約１４ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、その後、約３ｋｇｆ／ｃｍ^２に下げられる。

硬化成形処理工程は、図５（ｃ）に示すように、先の揮発分除去処理工程と同じ装置構成で実施される。したがって、同様の部分には同一の参照符号を付してここではその重複する説明は省略する。

以上のように処理した材料は、その断面を図６に示すように、顕著なボイドの発生も無く、強度的にも向上がみられた。

なお、図６において、横方向に走る白い線が強化繊維群、その上下に点在するやや灰色の円形物が上記繊維と直交する強化繊維群、そして、これら繊維群の間の濃い部分がマトリックス樹脂である。図３で見られたような黒い部分（ボイド）は無い。

以上のように、本願発明に係る耐熱性複合材の硬化前処理方法は、上記発明の方法により前処理され、その後、熱硬化処理された、サイジング剤に起因するボイドの発生および／または樹脂漏れに起因するボイドの発生を抑制された耐熱性複合材成形品を提供することが要求される用途にも適用可能である。

アミド酸ウェットプリプレグの硬化加熱工程を説明する図である。 加熱初期段階における粘度特性を示すグラフであり、縦軸に材料の粘度、横軸に温度をそれぞれ取ってある。 従来の加熱後期段階におけるサイジング剤に起因するボイドを説明するための硬化後の材料の断面図である。 本願発明の実施の形態に係る加熱・加圧制御を説明するためのグラフであり、（ａ）は粘度調整処理工程を示し、（ｂ）は揮発分除去処理工程を示し、（ｃ）は硬化成形処理工程を示している。 図４に示した各処理工程における処理装置の構成を示す模式的断面図であり、（ａ）は粘度調整処理工程、（ｂ）は揮発分除去処理工程、（ｃ）は硬化成形処理工程をそれぞれ示している。 本願発明に係る硬化前処理を施して硬化成形した材料の断面図である。

符号の説明

1 耐熱性複合材（材料）
2 テフロン（登録商標）フィルム
3 ダム
4A，4B テフロン（登録商標）フィルム（粗）
5A，5B シーラントテープ
6 カウルプレート
7 平板
8 バギング用フィルム

Claims (18)

1. 耐熱性複合材に含まれるサイジング剤を熱硬化処理前に除去する方法であって、
   前記耐熱性複合材は、これに溶媒が含まれているウェット型の耐熱性複合材であり、
   前記耐熱性複合材の硬化温度よりも低い第２の温度まで加熱して、前記耐熱性複合材に含まれる溶媒および水分を揮発させた後に冷却し、次いで、前記サイジング剤は揮発するが前記耐熱性複合材は硬化しない第１の温度に該耐熱性複合材を加熱するサイジング剤除去処理をすることを特徴とする硬化前処理方法。
2. 前記第１の温度は、２００℃〜３００℃であることを特徴とする請求項１記載の硬化前処理方法。
3. 前記第１の温度にまで加熱した後、この温度を５時間維持することを特徴とする請求項１又は２に記載の硬化前処理方法。
4. 加熱温度が前記第１の温度に達するまでの間に前記耐熱性複合材を真空引きすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の硬化前処理方法。
5. 前記耐熱性複合材の硬化温度は、２５０℃〜４００℃であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の硬化前処理方法。
6. 前記耐熱性複合材は、ポリイミド複合材であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の硬化前処理方法。
7. 前記耐熱性複合材は、アミド酸ウェットプリプレグであることを特徴とする請求項６記載の硬化前処理方法。
8. 前記第２の温度まで、樹脂量が重量比１５％以上を維持するように加熱することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の硬化前処理方法。
9. 前記第２の温度まで、温度上昇率０．１℃／分〜１．０℃／分で加熱することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の硬化前処理方法。
10. 前記第２の温度は、５０℃〜２３０℃であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の硬化前処理方法。
11. 前記第２の温度まで加熱した後で、急冷することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の硬化前処理方法。
12. 前記急冷は、−５℃／分を超える冷却速度であることを特徴とする請求項１１記載の硬化前処理方法。
13. 前記耐熱性複合材は、板状材料であり、前記第１の温度に加熱する際に、この加熱による揮発分を９０％以上除去することを許容するような通気性を有した成形用フィルムで板面部を両側から挟まれて密閉されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の硬化前処理方法。
14. 前記耐熱性複合材は、板状材料であり、前記第２の温度まで加熱する際に、樹脂量の流出減少を抑えるべく密閉性を確保し、且つ、前記揮発を許容するための適度な通気性を有するように、孔径が０．１ｍｍ〜２．０ｍｍで、孔間隔が５ｍｍ〜２０ｍｍの穴あきテフロン（登録商標）フィルムで端縁部を包まれることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の硬化前処理方法。
15. 前記樹脂量の流出減少は、５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１４記載の硬化前処理方法。
16. 前記耐熱性複合材は、外側が大面積で、内側が小面積の一対の粗いテフロン（登録商標）フィルムで板面部を両側からそれぞれ挟まれて密閉され、前記粗いテフロン（登録商標）フィルム間には、その面粗さによって、前記揮発を許容するための極小さな隙間が形成される一方、前記粗いテフロン（登録商標）フィルムのうち、内側に位置する２枚の小面積の粗いテフロン（登録商標）フィルム間は、その間に位置する前記穴あきテフロン（登録商標）フィルムとは直接接触することなく、シーラントテープで密封されていることを特徴とする請求項１４または１５記載の硬化前処理方法。
17. 上記請求項１乃至１６のいずれかに記載の方法により前処理し、その後、熱硬化処理することを特徴とする耐熱性複合材成形方法。
18. 上記請求項１７記載の耐熱性複合材成形方法により処理された耐熱性複合材成形品。