JP4517483B2

JP4517483B2 - 複合強化繊維基材およびプリフォーム

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Publication number: JP4517483B2
Application number: JP2000286885A
Authority: JP
Inventors: 武彦平原; 明西村; 清本間
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JP2002096413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化複合材料として優れた特性を発揮する複合強化繊維基材並びにその基材を用い三次元賦形に優れたプリフォームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維をはじめとする高強度、高弾性率の強化繊維からなる繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと呼称）は、機械的性質に優れていることから、航空機の構造材料として多用されている。
【０００３】
ＦＲＰは繊維配向方向の機械的性質に極めて優れるが、繊維軸から外れると機械的特性が急激に低下する、すなわち大きな異方性があるから、航空機の構造材料などは薄いプリプレグを多数枚積層し、ＦＲＰの面方向には機械的特性が疑似等方性になるように積層され使用されることが多い。
【０００４】
しかし、このようなＦＲＰ板に厚さ方向に衝撃が加わると、各層の機械的特性は大きな異方性があるから、衝撃によってＦＲＰの層間にクラックが発生し、層間が剥離して衝撃を受けたＦＲＰ板の圧縮強度が大幅に低下させることが知られている。
【０００５】
この対策として、たとえばプリプレグの表面に熱可塑性粒子を付着させ、成形した積層体の層間に粒子を配し、衝撃力によるクラックの伝播エネルギーを粒子を破壊させることによって吸収し、層間剥離の面積を小さくすることが行われている。この対策により衝撃を受けたＦＲＰ板の残存圧縮強度が大幅に改善され、大型民間航空機の一次構造材料として実用化されることになった。
【０００６】
しかしながら、この方法は下記のようにＦＲＰ構造材料の製造コストが高くなる。
【０００７】
Ａ．粒子系が小さく、粒子系が均一な熱可塑性粒子を製造するコストが高い。
【０００８】
Ｂ．これらの粒子をプリプレグの樹脂表面に均一に付着させるため、プリプレグの加工速度が遅くなったり、また、Ｂステージ状態のマトリックス樹脂に粒子が分散した樹脂フィルムを作製するなどの別の新たな工程が必要となる。
【０００９】
Ｃ．プリプレグの製造および成形条件によっては粒子はプリプレグやプリプレグの樹脂を硬化した後のＦＲＰの層内に入り、正確に所定の粒子を層間に配置させるのは困難である。
【００１０】
Ｄ．プリプレグを使用してのオートクレーブ成形は、タックのあるプリプレグを使うから、プリプレグとプリプレグの間の空気を脱法しながらの積層が必要であり、また、所定の構造材の厚みにするには薄いプリプレグを何層も積層することが必要となり手間がかかる。
【００１１】
原油の価格低迷もあり軽量化はさほどの経済効果が得られず、航空機メーカからＦＲＰ構造材料の製造コストダウンが強く要望されている。
【００１２】
一方、最近成形型のキャビティに強化繊維基材の積層体を充填し、樹脂を注入するレジン・トランスファー・モールディング（ＲＴＭ）成形法が低コスト成形法として注目されている。しかし、この方法では積層体の層間に熱可塑性粒子を正確に配置することはできない。また樹脂のみの改善では耐衝撃性に優れる高靭性なＦＲＰとすることは困難である。また、単に強化繊維基材を積み重ねたのでは、各層の基材がずれ、取り扱いが困難であるばかりか繊維配向が乱れ、所定の機械的特性を有するＦＲＰを得ることは困難である。
【００１３】
また、特開平８−１３４７５７号公報では、平織や繻子織などの織布とニードルパンチやスパンボンド、メルトブロー法などで作られた50〜200g/m²目付の不織布をニードルパンチなどの方法で絡合一体化させた複合布からなる補強材によって層間剥離強度をはじめ曲げ強度や圧縮強度などの機械的特性のバランスに優れた成型物に提供し得る繊維補強材などが提案されている。しかしながら、これらの形態では、不織布の目付が大きいためにＦＲＰにおける強化繊維以外の繊維量が大きくなり、強度や弾性率といった機械的性質が低下するので好ましくない。
【００１４】
また、ニードルパンチやスパンボンド、メルトブロー法などで得られる不織布の繊維は通常ランダムに配向しており、これらのランダムに配向した不織布と織物基材を接着やニードルパンチなどの方法によって一体化した基材をＲＴＭ成型などで使用する型に賦形する場合、織物はその型に剪断変形によって賦形されるが、一体化させたランダムに繊維配向した不織布では、繊維が不規則な方向に多数配されているため、ある方向に繊維が延びようとしても周りの異なる方向に配した繊維が邪魔をして伸縮の自由度が小さくなり、ヘルメットなどの深絞りの賦形では織物基材の剪断変形に追従することができなく皺が発生したり、不織布が基材から剥がれやすくなるなど根本的な解決には到っていない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、この様な現状に着目し、賦形性に優れて、成形されたときに耐衝撃性に優れる複合強化繊維基材を提供することにある。また、前記の複合強化繊維基材を使用して、繊維配向が乱れず、ハンドリング性および成形されたときに耐衝撃性に優れるプリフォームを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、強化繊維織物と、熱可塑性繊維を一方向に配向させた不織布とが積層され、かつ、該強化繊維織物のたて糸方向またはよこ糸のいずれかの方向に該不織布の繊維配向方向が平行になるように積層されていることを特徴とする複合強化繊維基材によって達成される。
【００１７】
また本発明の目的は、該複合強化繊維基材を、強化繊維織物と不織布とが交互になるように複数枚積層したプリフォームによって達成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合強化繊維基材１の斜視図を図１に示した。
【００１９】
強化繊維織物２（以下織物と呼称する）と一方向配向不織布３（以下不織布と呼称する）が、織物２の繊維方向に沿って積層一体化されたものである。
【００２０】
また、図２は図１の断面図を示したもので、不織布３の繊維が織物２に貫通して一体化している様子を示したものである。不織布３を構成する短繊維５が不織布の内面で絡み合い、また、織物の強化繊維層の途中まで貫通した短繊維５からなっている。また、強化繊維層を完全に貫通した繊維の方向が反転した繊維が再び貫通している状態であってもよい。
【００２１】
本発明に用いる強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などの高強度・高弾性率の強化繊維である。なかでも、引張弾性率が２００ＧＰａ以上、引張強度が４．５ＧＰａ以上の炭素繊維は高強度・高弾性率であるのみならず、耐衝撃性にも優れる。また、強化繊維糸条の太さとしては、５５０デシテックスから２３，０００デシテックスの範囲が好ましい。
【００２２】
また、強化繊維糸条は扁平な強化繊維マルチフィラメントが好ましい。扁平な織糸からなる織物は、織糸の繊度を大きくしても、各織糸の交錯部におけるクリンプが極めて小さく抑えられ、ＦＲＰやＣＦＲＰにした際に高い強度特性が得られる。強化繊維糸条が５５０デシテックスから２３，０００デシテックスの場合、糸幅が４〜３０ｍｍ、糸厚みが０．１〜１．０ｍｍの範囲の扁平な強化繊維糸条が好ましい。
【００２３】
また、本発明に用いる強化繊維織物は、平織、綾織、繻子織などの二方向織物が適用できる。
【００２４】
次に本発明の複合強化繊維基材を構成する不織布を説明する。複合強化繊維基材を成形型に添わせる、すなわちフィットさせる場合、型の曲面部で強化繊維や不織布の繊維の位置が部分的にずれたり、強化繊維の交錯角度が変化する。したがって、複合強化繊維基材には変形に対する自由度が必要であり、たとえば紙やフィルムなどは変形に対する自由度が無く、曲面部に添わせると必ず皺が発生する。また、不織布においてもメルトブロー法やスパンボンド法などで得られる連続繊維不織布や、カード法で得られる短繊維不織布の場合でも、高目付で交絡度が大きい変形に対する自由度が小さい不織布では、曲面部に添わせると皺が発生する。基材に皺が入ると皺部で強化繊維が折れ曲がるので、ＦＲＰにすると皺部が弱くなり、破壊の起点となるので好ましくない。
【００２５】
通常、強化繊維からなる二方向織物が剪断変形によって交錯角度が変化するに必要な力はさほど大きいものでなく、２Ｎ程度の伸張によって変形する。例えば、東レ製のＴ３００−３Ｋ織物（平織組織）の場合、２Ｎの伸張によって約２０％剪断方向に繊維が移動し、それ以上の荷重で伸張させてもたて糸とよこ糸の交錯点がロックし交錯角度は変化しない。また、東レ製のＴ７００−１２Ｋ織物（平織組織）においても同様に２Ｎ程度の伸張によって４０％程度剪断方向に繊維が移動する。すなわち、複合強化繊維基材を構成する不織布は、強化繊維の剪断変形によって強化繊維が移動するのに必要な力、つまり２Ｎ程度の小さな荷重で同じ方向に同じ量だけ移動できるものでなければ一体化した不織布が剥がれたり、余分な力を加えることによって成形型にフィットしなくなったり基材に皺を発生させたりすることになる。
【００２６】
このような観点から、不織布は一方向に繊維が配向した不織布である必要がある。
【００２７】
一方向に繊維が配向した不織布を、不織布の繊維配向方向が強化繊維織物のたて糸方向かよこ糸方向のいずれか一方に平行になるように配置して積層一体化させると、強化繊維基材が剪断変形によって強化繊維織物の交錯角度が変化し強化繊維が移動したときに強化繊維は平行に隣接する強化繊維の平行移動によって変形、移動するので、一方向不織布のたて方向の繊維は強化繊維とおおむね同じように平行に移動するので、基材に皺を発生させることなく成形型にフィットさせることができる。不織布のたて方向の伸度は強化繊維の伸度と同程度の小さなものであってもよい。ここで平行になるように配置するとは、上記の効果を奏する程度に平行であれば良く、強化繊維織物のたて糸方向またはよこ糸方向と不織布の繊維配向方向が−１０度から＋１０度の範囲にあることが好ましい。
【００２８】
また、強化繊維の平行移動によって変形、移動した変位量は、不織布のヨコ方向の伸度が高いものであれば吸収することができ、例えば平織組織の強化繊維織物の場合、剪断変形による最大変位量は、織物ピッチの約４０％程度であることから、不織布の剪断方向の伸度が４０％以上あれば織物基材の剪断変形に対して不織布を追従させることが可能となる。しかし、不織布の剪断方向の伸度とは、不織布のたて方向とよこ方向の伸度が合成された方向であり、たて方向またはよこ方向のいずれかの伸度が４０％以上あればよいというものではなく、あくまで剪断方向に４０％以上の伸度が２Ｎ以下の力で伸長した時に得られるものでなければならない。
【００２９】
一方向に繊維が配向した不織布としては、２Ｎ荷重時の不織布の伸度が、不織布のたて方向伸張時の伸度とよこ方向の伸張時の伸度の比が下式を満足するものが好ましい。
【００３０】
Ｌｂ／Ｌａ≧１５
Ｌａ（％）：２Ｎ荷重時のたて方向の不織布の伸度
Ｌｂ（％）：２Ｎ荷重時のよこ方向の不織布の伸度
Ｌｂ／Ｌａが１５以上であると強化繊維の剪断変形によって強化繊維の交錯角度が変化し強化繊維が移動した時に一体化された不織布の繊維は剥がれたり皺になったりすることなく強化繊維の移動に対して追従することが可能となる。一方、Ｌｂ／Ｌａが１５未満になると一体化した不織布が、強化繊維の剪断変形によって強化繊維が移動した場合に追従できず基材から剥がれたりする場合がある。
【００３１】
なお、上式のＬｂ／Ｌａの測定方法は、不織布のたて方向とよこ方向について幅４ｃｍ、長さ１４ｃｍなるようにそれぞれ５枚ずつ裁断し、引張試験を行った。この時、裁断した不織布の試長が１０ｃｍになるように上下チャック共２ｃｍチャックにはさんで固定し、３ｃｍ／ｍｉｎの引張速度で引張試験を行い、測定後チャートから、荷重が２Ｎの時の変位量と伸度を求め、各５枚のＬａとＬｂを単純平均してＬｂ／Ｌａを求めた。
【００３２】
図３は、深絞りした型に本発明の複合強化繊維基材シートを賦形させた模式図を示したものであり、一方向に配向させた不織布の繊維が、強化繊維と同じ方向に移動し、直交方向の繊維がわずかに移動するのみで賦形することが可能となる様子を示したものである。
【００３３】
また、本発明の不織布は、不織布と織物基材との一体化を、不織布を形成する繊維が基材を形成する強化繊維層を貫通することによって行うという観点からも、繊維は短繊維となっていることが好ましい。繊維長は、通常は２０〜１２０ｍｍで、僅かな繊維量でより強化繊維と交絡数を多くするために繊維の端部数が多くなるようにするため２０〜７０ｍｍがより好ましい。同様に繊維径もわずかな繊維量でより強化繊維層を貫通する繊維本数を多くするために０．００５〜０．０３ｍｍが好ましい。
【００３４】
また、繊維を一方向に配向させた不織布であって同時に一体化した基材を容易に他数枚積層させるという意味で、不織布を形成する繊維が低融点繊維とブレンドしたもの、または芯鞘糸の鞘部が低融点成分からなる繊維をブレンドまたは単体で使用したもが好ましい。
【００３５】
この不織布はカード法などにより短繊維をブレンドし、ウエブ形成段階で一方向（長さ方向）に繊維を引き揃え、熱風で熱融着させて作ることができる。従って、不織布繊維の結節にも低融点繊維をブレンドすることは有効で、熱融着によらない他の、ニードルパンチや空気や水などの流体による機械的結節方法によって繊維を絡めて結節したものに比べ、結節力を保持することが容易であるし、また低目付な不織布を形成するためには、熱風で熱融着させた不織布が好ましい。
【００３６】
これらの不織布の目付は５〜３０ｇ/m²程度の低目付なものが好ましい。この範囲の下限値未満であると、ＦＲＰ基材層間のインターリーフとしての不織布の繊維量が少なくなり、十分な耐衝撃性向上が得られない。また、この範囲の上限値を越えるとＦＲＰにおける強化繊維以外の繊維量が大きくなり、強度や弾性率といった機械的特性が低下するので好ましくない。
【００３７】
また、不織布を構成する繊維は、低融点繊維とのブレンドまたは芯鞘糸の鞘部が低融点成分から成る芯鞘繊維が好ましい。繊維を形成するポリマーには、ポリアミド、ビニロン、ビニリデン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリウレタン、アクリル、ポリアラミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサドール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリグリルアミド、ＰＢＴ、ＰＶＡ、ＰＢＩ、ＰＰＳなどが使用できる。
【００３８】
なかでも結晶性の高いナイロン６、ナイロン６６等の有機繊維と低融点の共重合ナイロン繊維とのポリアミド系繊維のブレンドや芯部にナイロン６またはナイロン６６、鞘部に低融点の共重合ナイロンを用いた芯鞘繊維が好ましい。特にナイロン６やナイロン６６は衝撃によりＦＲＰの層間にクラックが発生しても、有機繊維の損傷によって衝撃エネルギーが吸収されてクラックの進展を抑え、僅かな繊維量で大きな耐衝撃性向上効果が得られ、また、汎用的なポリマーなので不織布が安価となり好ましい。
【００３９】
不織布を構成する繊維に低融点繊維をブレンドする場合、ブレンドする他の繊維より融点の低いものであればよいが、例えば共重合ナイロン、変性ポリエステルやビニロンなどが使用でき、融点が不織布を形成する他の繊維より低く６０〜１６０℃程度のものが好ましい。
【００４０】
また、不織布を構成する繊維が芯鞘型繊維の場合、芯部のポリマーの融点は２００〜３００℃が好ましく、鞘部を構成する低融点ポリマーは、融点が芯部を構成するポリマーより低ければよく、融点が６０〜１６０℃程度のものが好ましい。なかでも、鞘部が共重合ナイロンで芯部がナイロン６またはナイロン６６の組み合わせは、同種のポリマーであるから芯部と鞘部がよく接着する。また、芯部と鞘部のポリマーの融点差は５０℃以上が好ましい。この範囲の下限値を下回ると芯部のポリマーと鞘部のポリマーとの温度差が小さくなり、鞘部のポリマーを溶融する際、芯部のポリマーまで溶融されることがあり、また、芯部の分子配向が乱れ芯部のポリマーによる耐衝撃性改善効果が小さくなるからである。
【００４１】
前記芯鞘型繊維において芯部の占める割合が、繊維断面積の３０〜７０％の範囲が好ましい。芯部の割合が３０％未満であると、衝撃エネルギーを吸収するポリマー成分が少なくなりＦＲＰの耐衝撃性を向上させる効果が小さくなる。また、所定の衝撃エネルギーを吸収させるには不織布の繊維量を大きくすることが必要になり、ＦＲＰに占める強化繊維の割合が少なくなり、ＦＲＰの機械的特性が低下する。一方、７０％を越えると鞘部の低融点ポリマーの量が少なくなり、単体で不織布を形成させた場合に基材との接着が不十分となる。
【００４２】
また、不織布を形成する繊維に低融点の熱可塑性ポリマーが含まれることによって、型に沿わせながら複合強化基材を賦形し、その上に複合強化繊維基材を賦形しながら積層し、これを低融点繊維の融点以上に加熱、加圧させて接着しながらプリフォームを形成することが簡単にできるし、かつその他の繊維を耐衝撃性を高めるためのインターリーフとして作用させることができるので好ましい。
【００４３】
低融点繊維をブレンドする場合、不織布における低融点繊維の割合は、あまり少ないと不織布を形成する際の繊維同士の結合を弱めたり、プリフォームを形成させるときの接着が不十分となり、また、多いとインターリーフとして作用が損なわれたりするので２０〜７０重量％が好ましく、より好ましくは４０〜６０重量％である。
【００４４】
次に、本発明の複合強化繊維基材における不織布と基材との一体化状態について説明する。不織布を形成する繊維が基材を形成する強化繊維層を貫通することによって基材と接合されることによって、フィット性に優れる不織布が基材のドレープ性を阻害するようなことはなく、好ましい。かかる効果を発現させるためには、前記貫通は１〜１００パンチ/cm²であることが好ましく、２〜５０パンチ/cm²であることがより好ましく、５から２０パンチ/cm²であることがさらに好ましい。
【００４５】
不織布を形成する繊維を強化繊維に貫通させるには、たとえば不織布を基材の上に置き、ニードルパンチや、ウオータージェット、エアジェットなどの流体によるパンチングなどの機械的接結法によって行うことができる。中でもニードルパンチによるパンチングが低目付の不織布を確実に強化繊維に貫通させることができ好ましく用いられる。
【００４６】
なお、強化繊維と不織布の一体化は、成形準備のため複合強化繊維基材を裁断したり、ハンドリングする際、基材と不織布が剥がれない程よく、繊維の絡み度合いを強くする必要はない。
【００４７】
また、本発明における不織布は、成形の際、複合強化繊維基材の積層体の層方向への樹脂の含浸性を確保する観点からポーラスな状態であることが必要であり、不織布を形成する繊維によって覆われない、すなわち繊維が存在しない空隙部の占める割合が不織布全体の面積の３０％〜９５％の範囲が好ましい。３０％未満であると樹脂含浸速度が遅くなり、常温硬化型の樹脂を使用した場合、樹脂が全体に行き渡らない状態で樹脂の硬化が始まるので好ましくない。また、９５％を越えると不織布の繊維量が少なくなり、本発明の目的とするＦＲＰの耐衝撃性向上効果が小さくなってしまう。より好ましくは、４０％〜８０％の範囲である。
【００４８】
また、本発明のプリフォームは、本発明の複合強化基材を、強化繊維織物と不織布とが交互になるように複数枚積層したものである。
【００４９】
また、本発明のプリフォームは不織布を形成する繊維に含まれる低融点繊維を加熱・加圧し、融着することにより一体化することが好ましい。
【００５０】
なお、プリフォームにおける基材の繊維配向は基材同士が同じ方向となるように各層を積層してもよいし、また繊維配向が０°、９０°、±４５°となるように、ＦＲＰにしたときの機械的性質が疑似等方性になるようにするなど、特に限定されるものではない。
【００５１】
本発明のプリフォームは型に対するフィット性に優れる複合基材からなるから、プリフォームは型との間に隙間を形成することなく密着した形に充填されるので、ＦＲＰにしたとき表面層に樹脂過多層を作ることなく、また型に賦形する際、皺が入らないから、均一に繊維が分散した表面が平滑なＦＲＰ成型品を得ることができる。
【００５２】
また、本発明の目的である基材の層間に耐衝撃性を高めるための繊維からなるインターリーフ層を簡単に成型され、ＦＲＰの耐衝撃性が向上させることができるのである。
【００５３】
本発明の複合基材は、従来から知られている方法でＦＲＰを成形することができるが、なかでもレジン・トランスファー成形法や真空バッグ成形法では大型の成型品が安価に製造することができるので、好ましく用いられる。
【００５４】
【実施例】
以下に本発明の望ましい実施例について説明する。
実施例１
強化繊維織物として、繊度８０００デシテックス、引張強度４８００ＭＰａ、弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度２．１％、フィラメント数１２，０００本の扁平状の炭素繊維をたて糸およびよこ糸に用い、たて糸およびよこ糸の密度が１．２５本／ｃｍ、織物目付約２００ｇ／ｍ²の炭素繊維織物を得た。
【００５５】
次に、繊維径が約０．０２ｍｍ、繊度が約３．３デシテックス、繊維長が約７０ｍｍの融点が２６０℃の高融点ナイロン短繊維を６０重量％と、繊維径が０．０１６ｍｍ、繊度が約２．２デシテックス、繊維長が約７０ｍｍの融点が１４０℃の低融点ナイロンを４０重量％の割合でブレンドし、カード機にかけ、一方向に引き揃えた後、熱風を吹き付けて低融点繊維を溶融して一方向に配向させた目付約８ｇ／ｍ²の不織布を得た。
【００５６】
得られた不織布についてＬｂ／Ｌａを求めるために、不織布のたて方向とよこ方向について幅４ｃｍ、長さ１４ｃｍなるようにそれぞれ５枚ずつ裁断し、引張試験を行った。この時、裁断した不織布の試長が１０ｃｍになるように上下チャック共２ｃｍチャックにはさんで固定し、３ｃｍ／ｍｉｎの引張速度で引張試験を行った。測定後チャートから、荷重が２Ｎの時の変位量と伸度を求め、各５枚のＬａとＬｂを単純平均してＬｂ／Ｌａを求めた結果、その値は４２．８と高い値を示すものであった。
【００５７】
上記の炭素繊維織物のたて糸方向と一方向に繊維配向した不織布の繊維が平行になるようにし、炭素繊維織物の上面に不織布を積層した後、フォスター社製のニードル（１５×１８×４０×３．５ＲＢＦ．２０６−３Ｂ／ＬＩ／ＣＣ）を針密度１０本/cm²となるようにセットし、ニードリングして炭素繊維織物と不織布を一体化した複合強化繊維基材を得た。得られた複合強化繊維基材は不織布が剥がれない程度に一体化されており、また、炭素繊維織物の繊維配向をほとんど乱すことなく不織布繊維が貫通しており、また、不織布の配向した繊維が強化繊維織物のたて糸方向と平行になって一体化されたものであった。
【００５８】
次に、この複合強化繊維基材を５０ｃｍ角に裁断し、ヘルメットから型取りした雌型にのせ、その複合強化繊維基材の炭素繊維織物の織糸配向方向が深絞り中心を向く方向に対して斜めの方向となる各々の隅を固定して、その上から雄型を押し付けて賦形させた。
【００５９】
以上の方法によって得られたプリフォームは、ヘルメットの型通りで、かつ、皺の発生がなく賦形されたものであった。
【００６０】
また、同様にしてもう一枚のプリフォームを作り、できた２枚のプリフォームを繊維配向が４５度向きの違うようにして疑似等方にして積層し、雄型と雌型の間に入れ２００℃に加熱、加圧して３０秒保持したのち型からプリフォームを取りだしたところ、不織布の低融点成分が溶融して二枚のプリフォームを皺の発生もなく融着されたものができた。
【００６１】
前記プリフォームを成形型によって熱硬化性ビニルエステル樹脂を含浸させて成形品を得た。得られた成形品は、樹脂が偏在するような部分がなく、表面平滑な成形品が得られた。また、成形品の断面観察においてもボイドはなく均一に樹脂含浸されていた。
【００６２】
次に一体化基材のコンポジット特性を評価するために真空バッグ成形で硬化板を作製した。
【００６３】
用いた樹脂は３Ｍ社製エポキシ樹脂ＰＲ５００で、１１０℃に樹脂を加熱して注入し、１７７℃×４時間で硬化させた。
【００６４】
積層方法は、強化繊維基材と不織布が交互となる様に積層し、１枚積層する毎にアイロンで不織布に含まれる低融点ナイロンを溶融させて互いに接着させた。
【００６５】
一体化基材がずれたり、皺が発生することなく成形型板上にセットすることができた。
【００６６】
繊維体積割合（Ｖｆ）評価用の硬化板を、３５０ｍｍ×３５０ｍｍサイズでカットし、同方向に６枚積層して成形した。ここでＶｆとは不織布を除く強化繊維の体積割合であり、下式より算出した。
【００６７】
Ｖｆ（％）＝〔（強化繊維の目付×積層枚数）／強化繊維の密度〕／成形品の厚み
ここで、強化繊維の目付は、成形前に使用する強化繊維基材の重量を研精工業株式会社製の化学天秤にて測定して算出した。また、成形品厚みは、成形後の硬化板の端部と中央部合計９カ所を厚みゲージで測定し、その単純平均で求めた。
【００６８】
引張試験は、硬化板を幅２５．０ｍｍ×長さ２５０ｍｍに切断し、両端にガラスタブを接着して引張試験片とし、ＪＩＳＫ７０７３に基づき引張試験を行い、破断荷重を測定し、引張強度を求めた。
【００６９】
また、衝撃特性であるＣＡＩ（落錘衝撃後の圧縮強度）評価用としては、一体化複合基材を３５０ｍｍ×３５０ｍｍサイズに切断し、織物のたて糸方向を０°、よこ糸方向を９０°として、積層構成は（±４５°）／（０°、９０°）を６回繰り返して１２枚積層した上に、（０°、９０°）／（±４５°）の構成で１２枚を対称積層し、それぞれ成形型板上にセットして〔（±４５°）／（０°、９０°）〕_6Sの疑似等方板を得た。
【００７０】
かくして得られた平板から１０１．６ｍｍ×１５２．４ｍｍの試験片を切り出し、ボーイング社試験法ＢＭＳ７２６０記載の衝撃圧縮強度（ＣＡＩ）の測定を行った。なお、この時の落錘衝撃のエネルギーは６７Ｊ／ｃｍで行った。その結果、ＣＡＩは２７７．２Ｐａと高い値を示し、また、Ｖｆおよび引張強度は５８％、１１６６ＭＰａと本発明の複合強化繊維基材は複合材料用基材として優れていることが判った。
【００７１】
実施例２
炭素繊維織物は実施例１と同じものを用いた。不織布としては、鞘部に軟化点１１０℃のイソフタル酸を共重合したポリエステル、芯部に融点２５５〜２６０℃のポリエステルを用い、芯部と鞘部の繊維断面積の割合が５０％対５０％であり、繊維径が約０．０２ｍｍ、繊度が約３．９デシテックスの芯鞘糸を作り、該芯鞘糸を繊維長が約７０ｍｍになるようにカットした短繊維をカード機にかけ、一方向に引き揃えた後、熱風を吹き付けて鞘部の低融点成分を溶融して一方向に配向させた目付約８ｇ／ｍ²の不織布を得た。
【００７２】
得られた不織布のＬｂ／Ｌａは実施例１と同様の方法で測定した結果、３８．３と高い数値を示すものであった。
【００７３】
上記の炭素繊維織物と不織布を実施例１と同じ条件で一体化した結果、炭素繊維織物の繊維配向をほとんど乱すことなく不織布を貫通しており、実施例１と同様の良好な複合強化繊維基材が得られた。
【００７４】
次に、この複合強化繊維基材を５０ｃｍ角に裁断し、実施例１と同様にヘルメット型にて賦形させた結果、プリフォームは同様に皺の発生のないヘルメット型通りに賦形されていた。
【００７５】
また、同様にもう一枚のプリフォームを作り、できた２枚のプリフォームを繊維配向が４５度向きの違うようにして疑似等法に積層し、雄型と雌型の間に入れ２００℃に加熱、加圧して３０秒保持した後に型からプリフォームを取りだしたところ、不織布の低融点成分が溶融して二枚のプリフォームを皺の発生もなく実施例１同様に融着されたものができた。
【００７６】
前記プリフォームを成形型によって熱硬化性ビニルエステル樹脂を含浸させて成形品を得た。得られた成形品は、実施例１同様に均一に樹脂含浸されたいた。
【００７７】
次に一体化基材のコンポジット特性を評価するために真空バッグ成型で実施例１と同じ条件で硬化板を作製し評価した。ＣＡＩの評価結果は、２６５．８Ｐａと実施例１に比べれば若干低い値であるが、不織布が積層されていない比較例１より高い値であった。また、Ｖｆおよび引張強度は、５８％、１１５８ＭＰａと本発明の複合強化繊維基材は複合材料用基材として優れていることが判った。
【００７８】
比較例１
不織布を一体化せず、実施例１と同じ炭素繊維織物のみを用い、実施例１と同様に５０ｃｍ角に裁断し、ヘルメット型にて賦形させた結果、ヘルメットの型どおりに賦形でき、皺の発生もなかったが、型から取り外すと腰がなく形態を保持することができなかった。
【００７９】
また、実施例１と同様にＣＡＩの評価を行った結果、２３５．１Ｐａと実施例１に比べ低い値を示した。なお、Ｖｆおよび引張強度は６０％、１０６０ＭＰａであった。
【００８０】
比較例２
不織布として、融点が２６０℃の高融点ナイロン１００％からなる、目付が４８ｇ／ｍ²の高目付スパンボンドタイプのランダム繊維配向の不織布を用い、実施例１と同じ強化繊維基材とニードルパンチを行い一体化した基材を用い、実施例１と同じ方法でヘルメット型に賦形させたが、一体化基材は、不織布自身の伸度が小さいため、一体化の状態では曲面に添わせることができず、無理矢理添わせようとすると、不織布が剥がれ、不織布に皺が発生する問題があった。なお、この不織布のＬｂ／Ｌａの値は実施例と同様の方法で求めた結果、１．７と小さい値であった。
【００８１】
また、ＣＡＩの値は２６１．２Ｐａと高い値を示したが、不織布が厚いためにＶｆが４５％と低かったことから、９０４ＭＰａと低い引張強度であった。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合強化基材は、成形型に対するフィット性に優れ、皺を発生させず三次元賦形に優れたプリフォームを形成することができる。
【００８３】
また、本発明のプリフォームは、耐衝撃性に優れるＦＲＰとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合強化繊維基材の斜視図
【図２】不織布と基材が繊維の貫通により一体化している状態を示す断面図
【図３】本発明に係わる複合強化繊維基材を立体賦形させた時の模式図の一例
【符号の説明】
１：複合強化繊維基材
２：強化繊維織物
３：一方向配向不織布
４：強化繊維糸条
５：不織布の繊維

Claims

強化繊維織物と、熱可塑性繊維を一方向に配向させた不織布とが積層され、かつ、該強化繊維織物のたて糸方向またはよこ糸のいずれかの方向に該不織布の繊維配向方向が平行になるように積層されていることを特徴とする複合強化繊維基材。
不織布の繊維が、強化繊維織物に貫通して一体化している請求項１記載の複合強化繊維基材。
不織布が、２Ｎ荷重時の伸度において、下式を満足する請求項１記載の複合強化繊維基材。
Ｌｂ／Ｌａ≧１５
Ｌａ（％）：２Ｎ荷重時のたて方向の不織布の伸度
Ｌｂ（％）：２Ｎ荷重時のよこ方向の不織布の伸度
不織布を構成する繊維のうち２０から７０重量％が、融点が６０〜１６０℃の低融点繊維である請求項１記載の複合強化繊維基材。
不織布を構成する繊維が、鞘部が芯部より融点の低いポリマーからなる芯鞘型繊維であって、かつ、該芯鞘型繊維の芯部の占める割合が、芯鞘型繊維断面積の３０から７０％である請求項１記載の複合強化繊維基材。
不織布を形成する熱可塑性繊維がポリアミド系繊維である請求項１記載の複合強化繊維基材。
不織布が熱融着されて形成された不織布である請求項１記載の複合強化繊維基材。
強化繊維が炭素繊維である請求項１記載の複合強化繊維基材。
熱可塑性不織布の目付が、５から３０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする特許請求項１記載の複合強化繊維基材。
強化繊維織物が、二方向織物である請求項１記載の複合強化繊維基材。
該二方向織物において、長さ方向および幅方向の少なくとも一方の強化繊維糸条が、糸幅が４〜３０ｍｍ、糸厚みが０．１〜１．０ｍｍの範囲にある扁平な強化繊維糸条である請求項１０記載の複合強化繊維基材。
一体化が、ニードルパンチによってされたものである請求項２記載の複合強化繊維基材。
複合強化繊維基材のニードルパンチ密度が５から２０パンチ/ｃｍ^２である請求項１２記載の複合強化繊維基材。
不織布を形成する繊維が短繊維であって、繊維長が２０から１２０ｍｍである請求項１ないし１３のいずれかに記載の複合強化基材。
請求項１ないし１４のいずれかに記載の複合強化繊維基材を、強化繊維織物と不織布とが交互になるように複数枚積層したプリフォーム。
複合強化基材同士が、不織布に含まれる前記融点が６０〜１６０℃の低融点繊維の融着により一体化されている請求項１５記載のプリフォーム。