JP4560965B2

JP4560965B2 - 補強用多軸ステッチ布帛

Info

Publication number: JP4560965B2
Application number: JP2001020032A
Authority: JP
Inventors: 明西村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2002227068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＦＲＰの補強繊維基材として使用する多軸ステッチ布帛およびその多軸ステッチ布帛を用いてなるプリフォームならびにＦＲＰの成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続補強繊維からなる繊維強化プラスチックは、繊維軸方向の機械的特性には優れるが、繊維軸から離れるに従い、機械的特性は急激に低下する。この対策として、たとえば、機械的特性が疑似等方性基材となるようの繊維軸方向がＦＲＰ成形体の長さ（０゜）方向、幅（９０゜）方向や斜め（±α゜）方向となるよう積層され、成形されている。
【０００３】
しかしながら、通常の織物を使用すると、繊維の配列方向は織物の長さ（０゜）方向と幅（９０゜）方向であるから、斜め（±α゜）方向の補強ができなくなる。この対策として、織物を斜め方向に裁断し、裁断された織物の端部が０゜方向と９０゜方向に配列する織物と平行になるように積層し、斜め方向に裁断した繊維の配列方向が±４５゜になるようにしている。しかしながら、このような方法では、とくに大型構造体を成形する場合、織物の裁断や積層に手間が掛かるし、材料ロスも大きい。また積層の際、（０゜／９０゜）配列織物と（＋４５゜／−４５゜）配列織物がずれ、正確な繊維配向が困難となる。
【０００４】
一方、上記課題に対して、最近、よこ入れトリコット装置で、布帛の長さ方向に対して＋α゜、−α゜やこれに０゜および／または９０゜方向に、すなわち、２方向以上の多軸の各々の方向で層状に補強繊維が並行に配列し、これらが積層した状態で、ポリエステル繊維糸などのステッチで縫合一体化した、いわゆる多軸ステッチ布帛が注目を浴びている。この布帛は＋α゜、−α゜、０゜や９０゜配列繊維がステッチ糸で一体となっているから、わざわざ裁断によって、所定の方向に配列するような準備作業が必要なくなり、１枚の布帛で疑似等方性の特性が得られるので、かつ材料ロスもほとんど無く、積層作業が大幅に省力化され、大型構造体を安価に成形できるという利点はある。また、ステッチ糸のステッチ密度を最適化することによって、深絞り賦形が可能となり、成形のプリフォームを容易に作製することもできる利点がある。
【０００５】
しかしながら、厚いＦＲＰ成形体を成形する場合、多数枚の布帛を積層する必要があるので、やはり積層や成形型をセットする際、布帛がずれる。また成形作業の合理化や省力化のため、前もって成形体の形状に布帛を賦形したプリフォームを作製することも行われるが、布帛を雄型と雌型の中に入れ深絞り賦形しても、脱型すると、強化繊維は剛性が大きいので布帛は元の平面状態に回復しようとし、正確な形状を保持できないという問題があった。
【０００６】
この対策として、硬化剤を入れないエポキシ樹脂やフェノール樹脂などの粘着性のある樹脂を有機溶剤に希釈したタッキファイヤーをスプレーで基材に吹き付けて基材同志を接着し、プリフォームの形態を安定させることも行われているが、毛細管現象で表面から強化繊維糸条の内部に浸透し、成形で樹脂の含浸を阻害するし、また付着量のコントロールが困難で、タッキファイヤーの付着量は場所により異なり、不均一であり、多量に付着した箇所ではマトリックス樹脂の硬化不良に繋がることもあった。
【０００７】
また、ステッチ布帛は、ステッチ糸によって補強繊維を拘束する布帛構造となっているから、各層内では補強繊維の拘束部分と補強繊維がまったく存在しない部分が存在している。したがって、樹脂が含浸され、樹脂が硬化すると樹脂が硬化収縮するので、ＦＲＰの状態では補強繊維の拘束部部分の厚さ方向の収縮量は補強繊維が存在するので小さく、補強繊維がまったく存在しない部分の収縮量が大きくなって、ＦＲＰの表面の凹凸が大きくなり、表面が平滑なＦＲＰが得られなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、プリフォームが簡単に作製でき、樹脂含浸性や均一性に優れ、しかも表面平滑で、しかも安価なＦＲＰが得られる多軸ステッチ布帛およびその多軸ステッチ布帛を用いてなるプリフォームならびにＦＲＰの成形方法を提供せんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次の手段を採用するものである。すなわち、
（１）多数本の強化繊維糸条が並行にシート状に配列して層構成をなし、前記層の少なくとも２層以上が交差積層されて積層体をなし、該積層体が融点の異なる、低融点Ａポリマー糸と高融点Ｂポリマー糸のステッチ糸で一体化されていることを特徴とする補強用多軸ステッチ布帛。
【００１０】
（２）前記ステッチ糸は、前記Ａポリマー糸と前記Ｂポリマー糸の引き揃え糸であることを特徴とする前記（１）に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１１】
（３）前記ステッチ糸が、前記Ａポリマー糸と前記Ｂポリマー糸の合撚糸であることを特徴とする前記（１）に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１２】
（４）前記ステッチ糸が、前記Ｂポリマー糸の周りに前記Ａポリマー糸が捲回されてなる捲回糸であることを特徴とする前記（１）請求項１に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１３】
（５）前記交差角度が布帛の長さ方向に対して＋α゜、−α゜の角度の少なくとも２方向を含むものであることを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１４】
（６）前記角度α゜が４５゜であることを特徴とする前記（５）に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１５】
（７）前記強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛。
【００１６】
（８）前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛の少なくとも１枚が積層され、前記低融点Ａポリマーで接着されてなることを特徴とするプリフォーム。
【００１７】
（９）前記（８）に記載のプリフォームに樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸の融点以上の温度に加熱成形することを特徴とするＦＲＰの成形方法。
【００１８】
（１０）前記（８）に記載のプリフォームに樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸の融点以下の温度に加熱成形することを特徴とするＦＲＰの成形方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る多軸ステッチ布帛の一実施例を示す一部切り欠き概略斜視図である。図１に示すように、布帛１の下面から、まず第一層が長さ方向イに対して斜め方向に多数本の強化繊維糸条２が並行に配列して＋α゜層６を構成し、次いで第二層が布帛の幅方向に多数本の強化繊維糸条３が並行に配列して９０゜層７を構成し、次いで第三層が斜め方向に多数本の強化繊維糸条４が並行に配列して−α゜層８を構成し、次いで第四層が布帛の長さ方向に多数本の強化繊維糸条５が並行に配列して０゜層９を構成し、互いに配列方向が異なる第一層〜第四層の４層が積層された状態で、ステッチ糸１０でこれら４層が縫合一体化されている。縫合一体化にあたってのステッチ糸１０が形成する縫い組織としては、単環縫い、１／１のトリコット編みなどが挙げられる。
【００２１】
図２は、図１に示した多軸ステッチ布帛のＡ−Ａ´断面の拡大概略図である。
−α゜層６、９０゜層７、＋α゜層８、０゜層９の４層にステッチ糸１０が形成するトリコット編み組織で一体化されている。なお、各層の糸条は層内において並行に配列し、これら糸条に対してランダムにニードルが突き刺さりステッチ糸が縫い組織を形成する。この時、ステッチ糸の張力によりのステッチ糸とステッチ糸の間には、強化繊維１１が存在せず、大きな空隙部Ｂが形成される。
【００２２】
図３に従来の図２に示した多軸ステッチ布帛を使用したＦＲＰ成形体の断面概略図を示したが、ステッチ糸１０とステッチ糸１０の間の空隙部Ｂには強化繊維が存在しないので、多軸ステッチ布帛に含浸された樹脂が硬化する際、体積収縮し、その箇所の表面は凹む。また、ステッチ糸１０は強化繊維層の外側に位置する部分があるから、成形型に布帛が充填されて成形されても、ステッチ糸１０の部分はステッチ糸１０の存在しない箇所に比べて凸状態となり、ＦＲＰの表面が凸凹する。
【００２３】
本発明の多軸ステッチ布帛の布帛構造は、従来の多軸ステッチ布帛となんら変わりはないが、本発明ではステッチ糸として、融点の異なる、低融点Ａポリマー糸と高融点Ｂポリマー糸からなるステッチ糸で一体化することを特徴とする。
【００２４】
図４は、図１に示した多軸ステッチ布帛を正面から見た１／１トリコット編み縫い組織のパターンモデル図を示したものである。
【００２５】
多数本の低融点Ａポリマー糸からなるステッチ糸１０_Aと高融点Ｂポリマー糸からなるステッチ糸１０_Bが一本交互にジグザグ状に布帛の長さ方向イに配列し、各ステッチ糸は、ジグザグ形状の頂点部で厚さ方向に延びて強化繊維層を一体化している。なお、ステッチ糸１０_Aとステッチ糸１０_Bの配列方法は、とくに限定するものではないが、ステッチ糸１０_Bの間隔Ｃがあまり大きくなると、プリフォームを作製するためにステッチ糸１０_Aを溶融させると、賦形形状にもよるが、ステッチ糸１０_Bの間隔Ｃで強化繊維が大きく蛇行し、ＦＲＰにしたとき、その蛇行部で破壊が始まるので、間隔Ｃが２０ｍｍ以下となるようにステッチ糸の配列を決めることが好ましい。
【００２６】
なお、必ずしも低融点Ａポリマー糸からなるステッチ糸１０_Aと高融点Ｂポリマー糸からなるステッチ糸１０_Bを別々に使用することが必要ではなく、図５に示すように低融点Ａポリマー糸１０_Aと高融点Ｂポリマー糸１０_Bを引き添えた引き揃え糸をステッチ糸として使用してもよい。また、図６に示すように低融点Ａポリマー糸１０_Aと高融点Ｂポリマー糸１０_Bを合撚した合撚糸を用いてもよい。同様に高融点Ｂポリマー糸に低融点Ａポリマー糸を捲回した捲回糸を用いてもよいし、また高融点Ｂポリマーを芯とし低融点Ａポリマーを鞘とした芯鞘複合繊維からなるポリマー糸をステッチ糸として使用することもできる。引き揃え法、合撚法、捲回法または芯鞘繊維法はプリフォームを作製するために低融点Ａポリマー成分を溶融さても間隔Ｃが変わらないので、強化繊維が蛇行してＦＲＰの強度を低下させるようなことはない。
【００２７】
本発明に使用する低融点Ａポリマーは、融点が８０〜２００℃のポリマーが好ましい。融点が８０℃未満であると、繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと呼称）に成形した時に、低融点ポリマー部はわずかな面積、体積ではあるがＦＲＰ成形体が屋外暴露などによる昇温で低融点ポリマーの部箇所が溶融状態となるので好ましくない。また、２００℃を越えると、低融点Ａポリマーを溶融させ、布帛と布帛を接着させる際、高温にすることが必要となり、昇温、降温に要する所用時間が大きくなり、プリフォーム作製の効率が低下する。
【００２８】
また、本発明に使用する高融点Ｂポリマーは、融点が１５０〜２８０℃のポリマーが好ましい。
【００２９】
なお、高融点Ｂポリマーを低融点Ａポリマーより融点が２０℃以上高く、かつ高融点Ｂポリマーの融点が１８０℃以下であると、低融点Ａポリマーにより布帛同士の接着を行うことによって、プリフォームを作製し、このプリフォームに樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸の融点以上に加熱成形すると、成形後ステッチ糸が形成しているステッチ糸の組織が消滅してポリマーの状態となる。
【００３０】
図７に、本発明の成形法によって得られるＦＲＰ成形体の断面概略図を示したが、型の加熱と同時に多軸ステッチ布帛も低融点Ａポリマー糸の融点以上の温度に加熱されるから、低融点Ａポリマー糸が溶融し、ＦＲＰ中にポリマー糸が存在していた箇所に低融点ポリマー１２が点在するようになる。また、低融点ポリマーからなるステッチ糸が形成していた縫い組織は、ステッチ糸の溶融によって消滅するので、ステッチ糸による強化繊維の拘束は解かれ、空隙部Ｂの箇所にも強化繊維が分散し、得られるＦＲＰの表面は平滑となる。
【００３１】
低融点Ａポリマーは溶融しても粘度が高いので、強化繊維糸条の表面に付着する程度で、毛細管現象で強化繊維糸条の内部に浸透し、成形での樹脂含浸を阻害するようなことはなく、また部分的に多くの接着剤が付着して、マトリックス樹脂の硬化を阻害するようなことはない。
【００３２】
また、本発明においては必ずしもＢポリマー糸を溶融させる必要はなく、プリフォームに樹脂を含浸し、Ｂポリマー糸の融点以下に加熱成形するＦＲＰを成形し、ＦＲＰの中にステッチ糸をポリマー状態にすることなく、糸の状態で残してもよい。
【００３３】
本発明に用いる低融点Ａポリマーは、通常、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、変成ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリウレタンなどから選ばれたものである。なかでも低温でポリマーを溶融でき、かつＦＲＰのマトリックス樹脂との接着性が良好な共重合ナイロンが好ましい。
【００３４】
また、低温でポリマーを溶融でき、マトリックス樹脂との接着性が良好で、吸水率の小さな変成ポリエステルが好ましい。
【００３５】
なお、Ａポリマー糸とＢポリマー糸は、必ずしも異なるポリマーである必要はなく、同一ポリマーで融点の異なるポリマーを選択することもできる。
【００３６】
ステッチ糸の太さは、細いとステッチ操作の際糸切れし、また太いとＦＲＰにした時ステッチ糸が溶融して形成される低融点ポリマー部分が大きくなり、塗装の際に色斑などになるので５０〜４００デシテックスが好ましい。より好ましくは７０〜３００デシテックスである。なお、引き揃え法、合撚法、捲回法または芯鞘繊維法でＡポリマーとＢポリマーを併用する場合は、Ａポリマー糸とＢポリマー糸を合わせた太さである。
【００３７】
本発明に用いるＡポリマー糸の重量は５〜３０ｇ／ｍ²が好ましい。５ｇ／ｍ²未満であるとプリフォーム作製の際の接着が不完全となり、また３０ｇ／ｍ²を越えると、ＦＲＰにしたとき布帛と布帛、または布帛とその他の基材間に低融点のポリマー層が形成されるので、高温雰囲気でポリマー層が破壊の起点となり成形体の機械的特性が低下するし、また樹脂の含浸が不織布で阻害されるので好ましくない。
【００３８】
本発明に使用する強化繊維としては、ガラス繊維、ポリアラミド繊維や炭素繊維が挙げられるが、なかでも炭素繊維はマトリックス樹脂との接着性が良く、引張強度や引張弾性率も高いのでＦＲＰ成形体の軽量化が図られるので好ましく用いられる。
【００３９】
本発明に使用する強化繊維の太さは、３，０００〜５０，０００デシテックス程度である。とくに、太い強化繊維糸条を用いると、強化繊維が安くなるので安価な布帛が得られ好ましい。しかし、一層当たりの強化繊維の目付が小さいと、層内の糸条と糸条の間に隙間ができ、ステッチ糸で一体化すると繊維密度が部分的に不均一となり、成形すると繊維密度が大きなところはＦＲＰが厚くなり、また繊維密度が小さなところはＦＲＰが薄くなり、表面が凸凹したＦＲＰとなる。
このように７，０００〜５０，０００デシテックスの太い強化繊維糸条を用いる場合は、ステッチ糸による一体化加工前に強化繊維糸条をローラの揺動操作やエアー・ジェット噴射で薄く拡げると、布帛の全面にわたり強化繊維の密度が均一となり、表面が平滑なＦＲＰが得られるので好ましい。
【００４０】
もともとステッチ糸の役割は、布帛になった状態で繊維配向が乱れないように、また並行に配列した多数本の強化繊維糸条がほつれないようにするものであり、布帛の層方向にステッチ糸が配列しているとはいえ、層方向に対する補強効果はさほど大きくはない。
【００４１】
なお、図１に示した布帛の強化繊維の構成は＋α゜層／９０゜層／−α゜層／０゜層の４層構成について説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも、布帛の長さ方向に対して−α゜層と＋α゜層のバイアス（±α゜）の方向に層構成をなしておればよい。また、層構成の順番も−α゜／９０゜／＋α゜／０゜の順番に限定するものではなく、０゜／−α゜／９０゜／＋α゜や０゜／−α゜／＋α゜／９０゜など適宜設計することができる。また、−α゜層と＋α゜層のバイアス方向のみに強化繊維が配列した布帛にすると、布帛の長さ方向に引っ張ると簡単に強化繊維の方向がずれ、布帛の幅方向が狭くなるなど、形態が不安定である。このような時には、たとえば０゜方向やまたは９０゜方向に細いガラス繊維、炭素繊維やポリアラミド繊維などの補助糸を２０〜１００ｇ／ｍ²程度配列し、−α゜層、＋α゜層とステッチ糸で一体化すると形態を安定させることができる。
【００４２】
なお、バイアス角α゜は、多軸ステッチ布帛をＦＲＰ成形体の長さ方向に積層し、強化繊維による剪断補強を効果的に行う観点から４５゜が好ましい。
【００４３】
本発明のプリフォームは、本発明の多軸ステッチ布帛の積層体を低融点ポリマーで接着させてもよいし、必ずしもこれに限定するのものではなく、他の基材との併用であってもよい。他の基材としては、二方向の補強繊維織物、一方向の織物や、補強繊維を基材の長さ方向に並行に配列し、これを二軸メッシュや不織布で接着させた、いわゆるドライ・トウシートやチョップド・ストランド・マットやコンティニュアス・スワール・マットであってもよい。
【００４４】
これら布帛は低融点ポリマーで賦形させた状態で接着しているから、脱型しても元の平面状態に回復するようなことはなく、正確に所定の形状ならびに繊維配向を保ち、成形型に容易にセットすることができる。
【００４５】
本発明の多軸ステッチ布帛を使用したＦＲＰは、たとえば次のように成形することができる。
【００４６】
成形型の雌型に、本発明のプリフォームを所定の方向に積層し、この上に雄型を乗せ、型の周囲をパテでシーリングする。次いで、真空ポンプで型内を真空状態となるよう吸引し、その後樹脂を注入する。次いで、成形型を高融点Ｂポリマー糸の融点以上になるよう十分に加熱して、注入した樹脂を硬化させる。成形型を冷却し、脱型する。
【００４７】
なお、上記成形で、高融点Ｂポリマー糸の融点以下で硬化する樹脂またはポリマーを選択し、ステッチ糸が成形品の中に残存するようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の補強用多軸ステッチ布帛は低融点Ａポリマー糸と高融点Ｂポリマー糸でステッチ一体化されているから、Ａポリマー糸を溶融して布帛同士を接着することによって、形態の安定したプリフォームを簡単に製作することができるし、成形してもＢポリマー糸による強化繊維に対する拘束があるから強化繊維が蛇行することなく機械的特性に優れたＦＲＰ成形体が得られる。また、樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸、及び、低融点ポリマー糸の融点以上に加熱成形することによって更に表面が平滑なＦＲＰ成形体も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多軸ステッチ布帛の一実施例を示す一部切り欠き概略斜視図である。
【図２】図１の多軸ステッチ布帛のＡ−Ａ´断面拡大概略図である。
【図３】従来の多軸ステッチ布帛のＦＲＰ成形体の断面概略図である。
【図４】１／１トリコット組織の正面図である。
【図５】本発明の多軸ステッチ布帛の他の実施例を示す断面概略図である。
【図６】本発明の多軸ステッチ布帛のさらに他の実施例を示す断面概略図である。
【図７】本発明の多軸ステッチ布帛のＦＲＰ成形体の一例を示す断面概略図である。
【符号の説明】
１：多軸ステッチ布帛
２：＋α゜層の強化繊維糸条
３：９０゜層の強化繊維糸条
４：−α゜層の強化繊維糸条
５：０゜層の強化繊維糸条
６：布帛を形成する＋α゜の強化繊維層
７：布帛を形成する９０゜の強化繊維層
８：布帛を形成する−α゜の強化繊維層
９：布帛を形成する０゜の強化繊維層
１０：ステッチ糸
１０_A：低融点Ａポリマー糸
１０_B：高融点Ｂポリマー糸
１１：強化繊維
１２：低融点ポリマー
イ：布帛の長手方向
Ａ−Ａ´：断面の基準線
Ｂ：空隙部
Ｃ：高融点Ｂポリマー糸の間隔

Claims

多数本の強化繊維糸条が並行にシート状に配列して層構成をなし、前記層の少なくとも２層以上が交差積層されて積層体をなし、該積層体が融点の異なる、低融点Ａポリマー糸と高融点Ｂポリマー糸のステッチ糸で一体化されていることを特徴とする補強用多軸ステッチ布帛。
前記ステッチ糸は、前記Ａポリマー糸と前記Ｂポリマー糸の引き揃え糸であることを特徴とする請求項１に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
前記ステッチ糸が、前記Ａポリマー糸と前記Ｂポリマー糸の合撚糸であることを特徴とする請求項１に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
前記ステッチ糸が、前記Ｂポリマー糸の周りに前記Ａポリマー糸が捲回されてなる捲回糸であることを特徴とする請求項１に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
前記交差角度が布帛の長さ方向に対して＋α゜、−α゜の角度の少なくとも２方向を含むものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛。
前記角度α゜が４５゜であることを特徴とする請求項５に記載の補強用多軸ステッチ布帛。
前記強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛。
請求項１ないし７のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ布帛の少なくとも１枚が積層され、前記低融点Ａポリマーで接着されてなることを特徴とするプリフォーム。
請求項８に記載のプリフォームに樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸の融点以上の温度に加熱成形することを特徴とするＦＲＰの成形方法。
請求項８に記載のプリフォームに樹脂を含浸し、高融点Ｂポリマー糸の融点以下の温度に加熱成形することを特徴とするＦＲＰの成形方法。