JP4837897B2 - 繊維強化樹脂およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、開繊処理で扁平化した繊維束で熱可塑性樹脂を強化する繊維強化樹脂およびその製造方法に関する。

従来から、合成樹脂の母材中に強化繊維を埋込んだ構造を有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、代表的な繊維強化複合材料として広く用いられている。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維などが利用される。炭素繊維で強化する繊維強化プラスチックはＣＦＲＰと呼ばれている。炭素繊維は、数μｍ程度の径のフィラメントを数千〜数万本集束させた状態で製造される。従来のＣＦＲＰでは、強化繊維をほぼ円形断面に集束させる状態で強化繊維糸として製織した織物を強化基材としている。しかしながら、集束した織糸である緯糸と経糸とは大径となり、織糸が交差する部分などで、織糸が大きくクリンプして繊維密度が不均一となり、樹脂を含浸させてＣＦＲＰとする際に、交差部分などに充分な樹脂が浸透せず、高い強度特性を得ることができない。軽量で高強度のＣＦＲＰを得るために、炭素繊維の束を扁平に広げた開繊状態で使用して補強織物を形成する技術が考えられている（たとえば、特許文献１参照。）。開繊状態の炭素繊維などから強化基材となる織物を製造する装置は、織糸の開繊状態を保つようにして扁平な織物を製造することができる（たとえば、特許文献２および３参照。）。

図４は、開繊状態の織糸を使用して得られる強化基材の例を示す。（ａ）は、特許文献２および特許文献３で製造される基本的な平織織物１状の強化基材を示す。経糸２に対して緯糸３は直交している。各経糸２および緯糸３は、炭素繊維のフィラメントの束を開繊処理して薄く広げた状態である。（ｂ）は、特許文献２で製造される経糸２に対して緯糸３が斜交する斜交織物４による強化基材を示す。

特開平７−３００７３９号公報 特許第２９８３５３１号公報 特開２００３−２５３５４７号公報

従来からのＦＲＰは、母材としてエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することが多い。熱硬化性樹脂は、液状の状態で強化機材に含浸させることができ、含浸後に硬化させて、使用に供することができる。しかしながら、硬化は不可逆的であり、いったん硬化した後では、母材と強化基材とを分離するも困難となる。このため、熱硬化製樹脂を母材とするＦＲＰは、いったん成形して使用した後、リユースやリサイクルなどで再利用をすることができず、廃棄物として処分しなければならない。また、廃棄物として処分する際にも、強化されているので粉砕等が困難である。

母材として熱可塑性樹脂を使用すると、熱硬化性樹脂を母材とする場合よりも耐衝撃性が良好となる。また、いったん成形して使用した後でも、熱を加えると母材が溶融し、母材と強化基材とを分離して、それぞれ再利用することも可能となる。しかしながら、熱可塑性樹脂は低粘度の液状にすることができず、製織した強化基材の周囲を母材で満たすことは困難であり、充分な繊維強化の硬化が未だ得られていない。

本発明の目的は、開繊した強化繊維を使用して、熱可塑性樹脂を強化することができる繊維強化樹脂およびその製造方法を提供することである。

本発明は、緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とを、幅方向に並べる状態で使用して製織されたシートが、複数、積層されて形成された積層物を、加熱および加圧して成形することで得られる繊維強化樹脂であって、
前記シートが、２枚のシートを１組として、同じ組内では、隣接する層間で前記開繊処理後の帯材同士が完全に重ならないように、角度を変えずに位置をずらせて配置され、さらに、シートの組毎において緯糸および経糸の角度を変えて配置された積層物を、加熱および加圧して成形することで得られることを特徴とする繊維強化樹脂である。

本発明に従えば、製織には、熱可塑性樹脂製の帯材と、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材とを緯糸と経糸とに、使用する。繊維束の開繊処理後の帯材と熱可塑性樹脂の帯材とは、幅方向に並べる状態で使用して、シートを形成する。すなわち開繊した強化繊維を使用して、熱可塑性樹脂を強化することができる。また、形成されるシートを、複数、積層すれば、繊維で強化している成形物を得ることができる。

また、シートは、２枚のシートを１組として、同じ組内では、隣接する層間で開繊処理後の帯材同士が完全に重ならないように、角度を変えずに位置をずらせて配置され、さらに、シートの組毎において緯糸および経糸の角度を変えて配置されて積層されている。

このように、シートは、隣接する層間で、開繊処理後の帯材と熱可塑性樹脂の帯材とが接するように積層されているので、開繊処理後の強化繊維が表面に出ているシートの部分同士が隣接する層間で重なる事態を避けることができる。

さらに本発明は、緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とを、幅方向に並べる状態で使用してシートを製織し、
製織されたシートを、２枚のシートを１組として、同じ組内では、隣接する層間で前記開繊処理後の帯材同士が完全に重ならないように、角度を変えずに位置をずらせて配置し、さらに、シートの組毎において緯糸および経糸の角度を変えて配置して、複数積層し、
積層された複数のシートを加熱および加圧して成形することを特徴とする繊維強化樹脂の製造方法である。

本発明に従えば、緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とが、幅方向に並べられる状態で使用されて、製織されている。熱可塑性樹脂の帯材と開繊処理後の帯材とが予め製織段階で組み合わされているシートを得て、良好な成形の素材とし、複数のシートを積層して、加熱および加圧で成形することができる。

本発明によれば、繊維束の開繊処理後の帯材と熱可塑性樹脂の帯材とは、幅方向に並べる状態で使用して、シートを形成し、シートを積層して、開繊した強化繊維を使用して、熱可塑性樹脂を強化することができる。

また、シートを、隣接する層間で、開繊処理後の強化繊維が表面に出ている部分同士が重なって、母材と強化繊維との付着が充分でなくなる事態を避けることができる。

さらに本発明によれば、緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とが、幅方向に並べられる状態で使用されて、製織し、母材となる熱可塑性樹脂と開繊処理後の帯材とが予め製織段階で組み合わされているシートを得て、良好な成形の素材とし、複数のシートを積層して、加熱および加圧で成形することができる。

図１は、本発明の実施の一形態である繊維強化樹脂およびその製造方法ならびにシートに関する概略的な構成を示す。図１（ａ）は、シート１１の構成および２枚のシート１１を積層する状態を示す。図１（ｂ）は、各シート１１の断面構成を示す。シート１１は、経糸１２および緯糸１３を使用して平織組織を形成する。経糸１２および緯糸１３は、それぞれ開繊糸１４および熱可塑性樹脂帯材１５を交互に配置して形成される。開繊糸１４および熱可塑性樹脂帯材１５の幅は、約２０ｍｍ程度とする。

開繊糸１４は、炭素繊維の束を開繊処理して形成する。ガラス繊維やポリアミド繊維などであってもよい。熱可塑性樹脂は、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などを使用することができる。経糸１２および緯糸１３によって形成する組織は、基本的な１：１の平織ばかりではなく、２軸では朱子織や綾織などを用いることもできる。３軸の立体的な織組織を用いることもできる。さらに、経糸１２または緯糸１３の一方を開繊糸１４のみ、他方を熱可塑性樹脂帯材１５のみにすることもできる。糸の種類を統一することによって、処理を容易にすることができる。

シート１１を積層して形成する繊維強化樹脂は、熱可塑性樹脂を母材として繊維で強化して使用する。製織には、熱可塑性樹脂製帯材１５と、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材である開繊糸１４とを緯糸１３と経糸１２とに、使用する。開繊糸１４の帯材と熱可塑性樹脂帯材１５とは、幅方向に並べる状態で使用して、シート１１を形成する。すなわち開繊糸１４としての開繊した強化繊維を使用して、熱可塑性樹脂を強化することができる。また、形成されるシート１１を、複数、積層すれば、繊維で強化している成形物を得ることができる。

図２は、図１のシート１１を複数枚積層して形成される積層物２０の断面構造を部分的に示す。積層物２０は、複数のシート２１，２２，２３，２４を積層して形成される。各シート２１，２２，２３，２４は、図１のシート１１と同等である。シート２１，２２，２３，２４は、開繊糸１４が表面に出る部分に、隣接するシートで開繊糸１４が表面に出る部分が完全に重ならないように、位置をずらせる。さらに、シート２３，２４は、シート２１，２２に対して、経糸１２および緯糸１３の角度も変えるようにしている。シート２１，２２，２３，２４は、隣接する層間で、開繊処理後の帯材である開繊糸１４と熱可塑性樹脂帯材１５とが接するように積層されているので、開繊処理後の強化繊維が表面に出ているシートの部分同士が隣接する層間で重なる事態を避けることができる。

図２では、４枚のシート２１，２２，２３，２４を積層して積層物２０を形成しているけれども、枚数は一例であり、実際にはより多い枚数を使用することができる。また、シート１１ばかりではなく、熱可塑性樹脂シートを、たとえば表裏両側の最表面に接合させることもできる。このように、繊維強化樹脂は、熱可塑性樹脂を母材として繊維で強化して使用する。繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材である開繊糸１４と、熱可塑性樹脂帯材１５とが、幅方向に並べられる状態で、経糸１２および緯糸１３として製織されている。母材となる熱可塑性樹脂と開繊処理後の帯材とが予め製織段階で組み合わされているシートを得て、良好な成形の素材とすることができる。

図３は、図２に示すような積層物２０を製造する概略的な工程を示す。ステップｓ０で手順を開始して、製造のための準備等が行われる。ステップｓ１では、強化繊維の開繊処理を行い、開繊糸１４を形成する。たとえば、１平方メートル当たり２００ｇ程度の目付けを目標に、２４Ｋと呼ばれる約２４０００本の炭素繊維フィラメントを約１６ｍｍの幅となるように開繊する。ステップｓ２では、熱可塑性樹脂帯材１５をより幅の広いフィルムから切り出すスリット加工を行う。熱可塑性樹脂帯材１５は、繊維を製織したリボンを用いるようにしてもよい。なお、ステップｓ１とステップｓ２とは、この順序に行う必要はなく、また並列に行うようにすることもできる。

ステップｓ３では、製織を行う。製織には、特許文献３に開示されているような装置を使用することができる。製織で形成されるシート１１では、経糸１２および緯糸１３にそれぞれ熱可塑性樹脂帯材１５が含まれているので、軽く加熱して加圧すれば、熱可塑性樹脂帯材１５で開繊糸１４を固着して、シート１１として単独でも緯糸１２と経糸１３とが分離しないようにすることができ、取り扱いを容易にすることができる。ステップｓ４では、複数のシート１１を、図２に示すように、隣接するシート２１，２２，２３，２４で位置をずらしながら積層する。ステップｓ５では、積層されたシートを加熱し加圧して立体的な形状などに成形する。平坦な平板とすることもできる。ステップｓ６で手順を終了する。

本発明の実施の一形態である繊維強化樹脂およびその製造方法ならびにシートに関する概略的な構成を示す模式的な斜視図および断面図である。 図１のシート１１を複数枚積層して形成される積層物２０の構造を部分的に示す断面図である。 図２に示すような積層物２０を製造する概略的な工程を示すフローチャートである。 先行技術で得られる開繊糸使用の織物の概略的な形状を示す部分的な平面図である。

符号の説明

１１，２１，２２，２３，２４ シート
１４ 開繊糸
１５ 熱可塑性樹脂帯材
２０ 積層物

Claims (2)

1. 緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とを、幅方向に並べる状態で使用して製織されたシートが、複数、積層されて形成された積層物を、加熱および加圧して成形することで得られる繊維強化樹脂であって、
   前記シートが、２枚のシートを１組として、同じ組内では、隣接する層間で前記開繊処理後の帯材同士が完全に重ならないように、角度を変えずに位置をずらせて配置され、さらに、シートの組毎において緯糸および経糸の角度を変えて配置された積層物を、加熱および加圧して成形することで得られることを特徴とする繊維強化樹脂。
2. 緯糸および経糸のいずれも、繊維の束を扁平な形態に広げる開繊処理後の帯材と、熱可塑性樹脂の帯材とを、幅方向に並べる状態で使用してシートを製織し、
   製織されたシートを、２枚のシートを１組として、同じ組内では、隣接する層間で前記開繊処理後の帯材同士が完全に重ならないように、角度を変えずに位置をずらせて配置し、さらに、シートの組毎において緯糸および経糸の角度を変えて配置して、複数積層し、
   積層された複数のシートを加熱および加圧して成形することを特徴とする繊維強化樹脂の製造方法。

Images