JP4376118B2

JP4376118B2 - 多軸織物、プリフォーム材、及び繊維強化プラスチック成形品

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Publication number: JP4376118B2
Application number: JP2004133529A
Authority: JP
Inventors: 徹金子; 禎孝梅元
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Toho Rayon Co Ltd
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005314837A

Description

本発明は、繊維強化材束と樹脂含浸繊維強化材束とからなる繊維強化材シートを積層し、ステッチ糸で一体化させた多軸織物に関する。また、本発明は、前記多軸織物を用いたプリフォーム材と、繊維強化プラスチック成形品に関する。

繊維強化プラスチック成形品は、従来樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ法）または、レジンフィルムインフュージョン成形法（ＲＦＩ法）を用いて成形されたものがある。ＲＴＭ法、ＲＦＩ法は、いずれも熱硬化性樹脂を用いた成形法である。繊維強化材プラスチック成形品は、繊維強化材を型に敷設した後、ＲＴＭ成形法においては型のキャビティーに樹脂を注入し、繊維強化材に樹脂を含浸させた後硬化させることにより製造する。一方、ＲＦＩ成形法においては、繊維強化材と共に樹脂フィルムを型に敷設し、加熱により溶融した樹脂を繊維強化材に含浸させた後硬化させることにより製造する。

いずれの成形法においても、型に敷設する繊維強化材は、通常織物等のシート状に加工した繊維強化材を用いる。シート状の繊維強化材としては様々な形態のものがあるが、織物が汎用されている。

繊維強化材をそのまま繊維強化プラスチック成形品の繊維強化材として用いるのに厚さが不十分である場合は、複数枚の繊維強化材を重ねて型に敷設し使用する。通常は、作業性を高めるため、繊維強化材をある程度の厚さとなるまで積層し予備成形して一体化したプリフォーム材を用いている。

一般的に、ＲＴＭ法やＲＦＩ法においては、熱硬化性の接着剤を用いて織物等の繊維強化材シート同士を貼り合わせて所望する成形品の形状に合わせて賦形したプリフォーム材を使用する。プリフォーム材の製造に熱硬化性の接着剤を用いる方法は、接着剤を塗付する手間がかかるうえ、硬化させるのに長時間を要し、製造コストが高いという問題がある。また、繊維強化プラスチック成形品の製造に使用する樹脂の種類によっては、繊維強化材シートへの樹脂含浸が不十分となり、得られた繊維強化プラスチック成形品の機械的特性が低下するという問題がある。

特に、最近、プリフォーム材の基材として低コストで製造できる多軸織物が使用されており、多軸織物を用いたプリフォーム方法の開発が重要となっている。プリフォーム材が簡単にできる多軸織物として、特許文献１に記載の多軸織物の片面に低融点ポリマー材を配置した多軸織物がある。しかし、低融点ポリマー材でシート状の繊維強化材同士を加熱溶着した場合、シート状の繊維強化材同士は接着し、プリフォーム材は製作できるが、プリフォーム材に３次元の形状を保持させることは困難である。
特開２００２−２２７０６７号公報（請求項１〜６）

本発明の目的は、樹脂との親和性が良好で機械的特性の低下がなく、予備成形時の形状を保持できるプリフォーム材を容易に製造することができる多軸織物を提供することにある。また、本発明の目的は、前記多軸織物を用いたプリフォーム材、及び前記プリフォーム材を用いた繊維強化プラスチック成形品を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕互いに平行に並べた繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる繊維強化材シートを繊維強化材の繊維軸方向を互いに変えて積み重ねた積層体と、前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復するステッチ糸とからなることを特徴とする多軸織物。

〔２〕平行に並べた繊維強化材束（Ａ）からなる少なくとも１の繊維強化材シートと、互いに平行に並べた繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる少なくとも１の繊維強化材シートとを、繊維強化材の繊維軸方向を互いに変えて積み重ねた積層体と；前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復するステッチ糸とからなることを特徴とする多軸織物。

〔３〕積層体が３以上の繊維強化材シートからなるものであって、繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる繊維強化材シートが積層体の表層と裏層に配置された〔２〕に記載の多軸織物。

〔４〕樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）が繊維強化材束に熱硬化性樹脂組成物を含浸させたものである〔１〕又は〔２〕に記載の多軸織物。

〔５〕樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）が繊維強化材束に熱可塑性樹脂組成物を含浸させたものである〔１〕又は〔２〕に記載の多軸織物。

〔６〕樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）の割合が、多軸織物の総目付に対し、３〜２０質量％である〔１〕又は〔２〕に記載の多軸織物。

〔７〕〔１〕又は〔２〕に記載の多軸織物を積層し、加圧下で加熱することにより多軸織物同士を接着したプリフォーム材。

〔８〕〔１〕又は〔２〕に記載の多軸織物と、他の織物とを積層し、加圧下で加熱することにより織物同士を接着したプリフォーム材。

〔９〕〔７〕又は〔８〕に記載のプリフォーム材を用いて樹脂トランスファー成形法又はレジンフィルムインフュージョン成形法により成形した繊維強化プラスチック成形品。

本発明の多軸織物は、繊維強化材束と、樹脂含浸繊維強化材束とからなる繊維強化材シートを積層したものであるので、加圧下で加熱することにより樹脂含浸繊維強化材束に含浸させた樹脂が溶融して織物同士が接着し、容易にプリフォーム材とすることができる。本発明のプリフォーム材を用いて製造した繊維強化プラスチック成形品は、織物同士の接着に接着剤を使用していないので、層間物性の低下がほとんど起こらず、強度に優れる。また、本発明のプリフォーム材は、予備成形後においてもその形状を保持できるため、プリフォーム作製型から繊維強化プラスチック成形品作製型に形状を崩さずに移動させることが可能である。

本発明の多軸織物に用いる繊維強化材シートの一例の断面図を図２に、平面図を図３に示す。

繊維強化材シート１は、互いに平行に並べた繊維強化材束３と、繊維強化材束３の間に繊維強化材束３と平行に配置した樹脂含浸繊維強化材束５とからなる。繊維強化材束３は繊維強化材の集合体であって、繊維強化材束３を構成する繊維強化材の繊維軸方向は繊維強化材束３の長さ方向と同一である。

繊維強化材束３は、繊維径３〜２４μｍの強化繊維フィラメント１００〜２４０００本の集合体である。

繊維強化材束に使用する繊維強化材としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の通常の繊維強化材に用いる材料が使用できる。中でも炭素繊維が好ましい。

樹脂含浸繊維強化材束５は、繊維強化材束３と同様の強化繊維フィラメント集合体に、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含浸させた束である。

上記の繊維強化材シートを使用した本発明の多軸織物の一例を図１に示す。

多軸織物１００は、積層体１０と、積層体１０を厚さ方向に貫通して積層体１０の表面と裏面の間を積層体１０の表面方向に沿って繰り返し往復して縫い合わせているステッチ糸１２とからなる。積層体１０は、繊維強化材束３と樹脂含浸繊維強化材束５とからなる６枚の繊維強化材シート１０ａ〜１０ｆにより構成される。

繊維強化材シート１０ａ〜１０ｆを構成する繊維強化材の繊維軸方向は、順に０°、＋４５°、−４５°、−４５°、＋４５°、０°となっている。

繊維強化材シート１０ａ〜１０ｆの繊維軸方向は、繊維強化材シートを積層する角度により決定づけられる。繊維強化材シートを積層する角度は任意の角度とすることができるが、製造が容易で、繊維強化プラスチック成形品に用いた場合に成形品の十分な強度が得られることから、０°、±４５°、９０°から適宜選択することが好ましい。これらの角度は、繊維強化材の繊維軸方向が、多軸織物の長さ方向に対してそれぞれ０°、±４５°、９０°であることをいう。

多軸織物１００は、その中心面Ｓに対して繊維強化材シート１０ａ〜１０ｆの繊維軸方向が対称（面対称）である。このように、繊維強化材シートを積層する角度は、得られる多軸織物が面対称となるように選択することが好ましい。

面対称の多軸織物の他の例としては、〔０／−４５／−４５／０〕、〔０／＋４５／９０／−４５／−４５／９０／＋４５／０〕等を挙げることができる。

繊維強化材シートの積層数に制限はないが、２〜８層程度とすることが好ましい。

樹脂含浸繊維強化材束に含浸させる樹脂は上述したように熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とするが、熱硬化性樹脂は主剤と硬化剤とを混合した組成物であっても良い。より好ましくは、ＲＴＭ法、又はＲＦＩ法で使用する成分と同一の樹脂又は樹脂組成物である。

また、樹脂含浸繊維強化材束に使用される樹脂の形態は、繊維強化材束に完全に含浸していても良いし、繊維強化材束の周囲に被覆され、完全に含浸してなくても良い。また、繊維強化材束にパウダー状で付着していても良い。

繊維強化材シートを構成する樹脂含浸繊維強化材束は、加熱により樹脂が溶融し、且つ、冷却後においては、繊維強化材同士を接着して多軸織物の形状を保持できる樹脂含浸繊維とすることが好ましい。具体的には、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリカーボネート等の熱可塑性樹脂を含浸した繊維強化材束が好ましい。

樹脂含浸繊維強化材束に含浸する樹脂量は、樹脂含浸繊維強化材束の質量に対して３０〜６０質量％が好ましい。樹脂量が３０質量％未満では、多軸織物を積層し、加圧下で加熱することにより多軸織物同士または、多軸織物と他の織物を接着してプリフォーム材とする際に接着が不十分となり、プリフォーム後に形状を保持することが困難となる。樹脂量が６０質量％を超えると、熱硬化性樹脂含浸繊維強化材束を使用した多軸織物はべとつき、取扱性が悪くなる傾向がある。

また、本発明の多軸織物における樹脂含浸繊維強化材束の使用量は、多軸織物の総目付に対し３〜２０質量％であることが好ましい。樹脂含浸繊維強化材束の使用量が３質量％未満では、多軸織物を積層し、加圧下で加熱することにより多軸織物同士、または、多軸織物と他の織物を接着してプリフォーム材とする際に接着が不十分となり、プリフォーム後に形状を保持することが困難となる。また、樹脂含浸繊維強化材束の使用量が２０質量％を超えると、多軸織物の製造コストが上がるうえ、繊維強化プラスチック成形品の成形に用いる樹脂によっては強化効果阻害作用が現れて繊維強化プラスチック成形品の機械的特性が低下する場合がある。

多軸織物の目付は２００〜２０００ｇ／ｍ²とすることが好ましく、２００〜１０００ｇ／ｍ²がより好ましい。また、多軸織物の厚さは、成形品の用途等により適宜選択するものであるが、通常０．２〜２ｍｍが好ましい。

多軸織物１００は、繊維強化材束と樹脂含浸繊維強化材束とからなる繊維強化材シートを繊維強化材束の繊維軸方向を互いに変えて積層して積層体とした後、ステッチ糸で縫い合わせることにより強化繊維フィラメント同士を互いに固定し、一体化させることにより得る。

ステッチ糸の材質としては、例えばポリエステル糸、ナイロン糸、ポリエチレン糸、ポリプロピレン糸、ガラス繊維糸等を挙げることができる。

図１においては、多軸織物１００を構成する繊維強化材シート１０ａ〜１０ｆはいずれも繊維強化材束３と樹脂含浸繊維強化材束５とからなる繊維強化材シートである。本発明の多軸織物は、多軸織物を構成する少なくとも１の繊維強化材シートが樹脂含浸強化材束５を含むものであればよい。繊維強化材束と樹脂含浸繊維強化材束とからなる繊維強化材シートと、繊維強化材束のみからなる繊維強化材シートとを使用した多軸織物の一例を図４に示す。

図４中、２００は多軸織物である。多軸織物２００の表層２２と裏層２４をなす繊維強化材シート２０ａ、２０ｆは、繊維強化材束３と樹脂含浸繊維強化材束５とからなる繊維強化材シートである。中層２６を形成する繊維強化材シート２０ｂ〜２０ｅは、繊維強化材束のみからなる繊維強化材シートである。

多軸織物２００においては、樹脂含浸繊維強化材束５を含む繊維強化材シート２０ａ、２０ｆは表層２２、中層２６、裏層２４のいずれに配置してもよいが、表層又は裏層のいずれかに配置することが好ましく、表層及び裏層の両方に配置することがより好ましい。

本発明の多軸織物を用いて繊維強化プラスチック成形品とする場合には、多軸織物をそのまま用いることもできるが、取扱い性、作業性の観点から多軸織物を積重して予備成形したプリフォーム材を用いることが好ましい。

プリフォーム材の製造は、プリフォーム作製型の一面に本発明の多軸織物、または、本発明の多軸織物と他の織物を所望の厚さとなるまで積み重ね、加熱プレートを用いたプレス等により加圧下加熱して予備成形することにより行う。加熱により多軸織物の樹脂含浸繊維強化材束に含浸させた樹脂が溶融し、本発明の多軸織物同士、または、本発明の多軸織物と他の織物とを接着する。また、多軸織物を構成する繊維強化材束と樹脂含浸繊維強化材束は、織物をプリフォーム作製型に沿わせた状態で樹脂含浸繊維強化材束に含浸させた樹脂が溶融して互いに接着するので、予備成形後においても型の形状を保持したプリフォーム材となる。

プリフォーム材の厚さは使用目的によっても異なるが、１〜５ｍｍが好ましい。

多軸織物を積層して製造したプリフォーム材は、公知のＲＴＭ法または、ＲＦＩ法により繊維強化プラスチック成形品とすることができる。上記方法で作製したプリフォーム材は、プリフォーム後においてもその３次元の形状を保持している。このため、プリフォーム材をプリフォーム作製型から繊維強化プラスチック成形品作製型に形状を崩さずに移動することが可能である。従って、繊維強化プラスチック成形品を作製する成形型に直接積層する必要が無く、成形型の占有時間を削減することができ、繊維強化プラスチック成形品の高生産化が可能となる。

本発明の多軸織物の一例を示す概略斜視図である。本発明の多軸織物に用いる繊維強化材シートの一例を示す断面図である。図２に示す繊維強化材シートの平面図である。本発明の多軸織物の他の例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ繊維強化材シート
３繊維強化材束
５樹脂含浸繊維強化材束
１０積層体
１２ステッチ糸
２２表層
２４裏層
２６中層
１００、２００多軸織物
Ｓ中心面

Claims

互いに平行に並べた繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる繊維強化材シートを繊維強化材の繊維軸方向を互いに変えて積み重ねた積層体と、前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復して、繊維強化材束（Ａ）、樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）を縫い合せることにより一体化させるステッチ糸とからなることを特徴とする多軸織物。
平行に並べた繊維強化材束（Ａ）からなる少なくとも１の繊維強化材シートと、互いに平行に並べた繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる少なくとも１の繊維強化材シートとを、繊維強化材の繊維軸方向を互いに変えて積み重ねた積層体と；前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復して、繊維強化材束（Ａ）、樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）を縫い合せることにより一体化させるステッチ糸とからなることを特徴とする多軸織物。
積層体が３以上の繊維強化材シートからなるものであって、繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とからなる繊維強化材シートが積層体の表層と裏層に配置された請求項２に記載の多軸織物。
樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）が繊維強化材束に熱硬化性樹脂組成物を含浸させたものである請求項１又は２に記載の多軸織物。
樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）が繊維強化材束に熱可塑性樹脂組成物を含浸させたものである請求項１又は２に記載の多軸織物。
樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）の割合が、多軸織物の総目付に対し、３〜２０質量％である請求項１又は２に記載の多軸織物。
請求項１又は２に記載の多軸織物を積層し、加圧下で加熱することにより多軸織物同士を接着したプリフォーム材。
請求項１又は２に記載の多軸織物と、他の織物とを積層し、加圧下で加熱することにより織物同士を接着したプリフォーム材。
請求項７又は８に記載のプリフォーム材を用いて樹脂トランスファー成形法又はレジンフィルムインフュージョン成形法により成形した繊維強化プラスチック成形品。
繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とを互いに平行に引き揃える工程と、
前記引き揃えた繊維強化材束（Ａ）と樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）とを繊維軸方向を互いに変えて積み重ねて積層体を得る工程と、
前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復してなり、ステッチ糸で縫い合せることにより繊維強化材束（Ａ）、樹脂含浸繊維強化材束（Ｂ）を一体化させる工程と、
からなる多軸織物の製造方法。