JP5194453B2 - 繊維強化樹脂 - Google Patents
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Description
本発明の完成に至った基本的な技術思想について説明する。強化繊維樹脂(FRP)成形体に曲げ荷重などの負荷が掛かった際、その材料の破壊は殆どが強化繊維の端部から亀裂(クラック)が発生し、やがてその亀裂が繊維端部周辺のマトリックス樹脂部を伝播して近くにある他の繊維端部に伝播していき、最終的に成形体を横断して全体破壊に至る。そこで、亀裂が発生した或る繊維の端部近くに他の繊維の端部が存在していないか、存在している割合が低いと、その発生亀裂が伝播し易い対象が無いか、発生亀裂が伝播する確率が低下するため、発生亀裂の伝播作用が低下し、該亀裂はそれ以上成長し難くなる。すなわち、その成形体の破壊抵抗レベルが高まることになり、その結果該成形体の耐荷重が向上することになる。
(1)繊維強化樹脂を400〜600℃の温度で加熱し、樹脂だけを焼き飛ばす。この際、熱風などにより繊維が動かぬように注意する。
(2)単位体積(1辺が繊維長の3倍の立方体が適当)中の繊維束をピンセットなどで、形態が変化せぬように抜き取る。
(3)次に、繊維長の2倍の長さからなる約60℃に傾斜した円筒体に繊維束を通し、その繊維束に押し込み力を作用させず自然に通過するかを判定する。淀みなく通過した繊維束を「真直な繊維束」と見なす。
但し、上記円筒体の内径は、炭素繊維用は2mm、ガラス繊維用は4mmである。
以上は繊維束が単糸数100本以下に分繊された正常な繊維束に対する測定法であるが、SMCのような単糸数が100本以上になる場合は、太径であるので繊維束を直接定規で測れるため、変極部の凹凸高さが4mm以下を「真直な繊維束」と見なした。
(繊維束の配向の測定方法)
樹脂成形する前の強化繊維基材を、又は成形後に樹脂を焼き飛ばした強化繊維基材を、短繊維の強化繊維長(例えば、12mm)を半径とする円をとって平面状に投影し(平面図としてみて)、その円の360°を各5°づつに区画し、各5°づつの角度範囲の領域内の80%以上に、その角度範囲内の方向に配向している繊維束が存在している場合、「繊維束の配向が二次元的に疑似等方性である」と規定する。
A.湿式では、抄紙の抄造方法がある。すなわち、
(1)炭素繊維束(ストランド;1K〜48K糸)を所定の繊維長に切断し、貯蔵する。(2)水に界面活性剤や増粘剤などを添加した分散液槽中に切断された炭素繊維を所定量投入する。
(3)槽内の分散液を撹拌して、強化繊維表層に付着しているサイジング剤などによって粘着しているストランド中の単糸同士を相互に分離させて、分散させる。
(4)(ワイヤーと呼ばれる)傾斜網で脱水し、濾過したのち、バインダーを塗布後熱風で乾燥して引き取る。
なお、傾斜網の目開きは、炭素繊維の場合、#60〜#300メッシュ辺りが適正であり、繊維長さや分散液槽に投入するストランドの太さによって使い分けている。
(1)炭素繊維ストランド(1K〜48K糸)を所定の繊維長に切断し、貯蔵する。
(2)カード機に切断された炭素繊維を所定量投入し、分繊する。
(3)分繊率が低い場合は、再度カード機に掛けて、単糸レベル近くまで分繊させる。
(1)耐炎糸不織布:トラスコ中山(株)製カーボンフェルト50CF(布帛の形態:フェルト状不織布、目付:680g/m2)。
(2)コンティニアスストランドマット:日本板硝子社製 (布帛の形態:ガラス連続繊維不織布、目付:300〜600g/m2)。
(3)ガラス繊維不織布:日東紡社製サーフェスマットMF30P100BS6(布帛の形態:ガラス連続繊維不織布、目付:30g/m2)。適用時は5〜15ply積層する。
(4)チョップドストランドマット:旭ファイバーグラス社製“ガラスロン”CM(布帛の形態:ガラス短繊維不織布、目付:300〜600g/m2)。
(5)メッシュ織物:NBC社製ナイロンメッシュンNB20(布帛の形態:ナイロン平織物、厚み:520μm)
(1)強化繊維:東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”T700SC×12K、カット長=8mm
(2)基材分散方法:湿式の分散方法として、抄紙プロセスにて単糸レベル近くまで開繊されており、また90%以上が真直繊維であり繊維同士の絡みや折れ、曲がりなどは、体積比率で全体の5%以下であった。
目付/層:150 g/m2、結着剤;PVA。
各繊維束の単糸本数は20本/束以上のものはなく、また各々の繊維束端部間の健全繊維束数は単糸数で約150本以上のものが全体の95%以上であることを確認した。
(3)FRP成形:RTM成形法を適用。形状、方法は図4に示した通りで、成形温度は100℃であった。
上記(2)の基材を8層積層し、中間に下記の易樹脂流動媒体を配設した。
易樹脂流動媒体部を除く繊維体積含有率が50%になる板厚で成形した。
易樹脂流動媒体:NBC社製メッシュ織物、ナイロンメッシュンNB20(布帛の形態;ナイロン平織物、厚み;520μm)
FRP成形品を約500℃で加熱して樹脂を焼き飛ばし、残った強化繊維を分析した結果は、表1の実施例1に示す通りで本発明を満足するものであった。
(1)強化繊維:東レ株式会社製炭素繊維(CF)“トレカ”T700SC×6K、カット長=12mm、
日東紡株式会社製ガラス繊維(GF)チョップドストランドCS13C−897、カット長=13mm(フィランメント径=10μm)
(2)基材分散方法:乾式の分散方法として、カード機にて単糸レベル近くまで開繊した。炭素繊維とガラス繊維の比率は、重量比で2:1とした。
目付/層=400g/m2、結着剤;PVA。
各繊維束の単糸本数は50本/束以上のものはなく、また殆どが真直繊維ばかりで、繊維同士が絡み合ったり、折れや曲がりなどは体積比率で全体の3.5%以下であった。
また、各々の繊維束端部間の健全繊維束数は単糸数で約300本以上であるものが全体の90%以上であることを確認した。
(3)FRP成形:RFI成形法を適用した。形状、方法は図5に示した通りである。
上記(2)の基材を3層積層。図5に示す通り、各基材毎にエポキシ樹脂シートを積層し、温度120℃に加熱された金型でホットプレスして成形した。
該エポキシ樹脂シートは、基材に樹脂含浸した際に繊維体積含有率が約52%になる厚みに調整した(樹脂フロー状況で多少ばらつく)。
成形品を同様に加熱し樹脂を焼き飛ばした後の分析結果は表1の通りである。
(1)強化繊維:東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”T700SC×12K、カット長=23〜25mm
(2)基材分散方法:実施例1と全く同様の抄紙プロセスにて単糸レベル近くまで開繊した。
目付/層=400g/m2、結着剤:PVA。
各繊維束の単糸本数は10本/束〜2K本/束までばらつき、約40%が100本/束以上であった。また、各所に繊維同士の絡みや毛玉、繊維の曲がりが多発していた(体積比率で30%以上)。
各々の繊維束端部間の健全繊維束数は、数束から約100束まであることを確認した。(3)FRP成形:実施例1と全く同様のRTM成形法を適用し、方法、手順、条件も実施例1と同様とした。
上記(2)の基材を8層積層し、中間に実施例1と全く同様の易樹脂流動媒体を配設した。
易樹脂流動媒体部を除く繊維体積含有率が50%になる板厚で成形した。
(1)強化繊維:東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”T700SC×12K、カット長=18〜20mm
(2)基材分散方法:これまでの方法と異なり、一般的なSMC(Sheet Molding Compound)成形法を適用した。先ずSMC成形のための中間基材を、図6の説明時で適用したSMC成形装置にて実施した。
熱硬化性樹脂フィルム上に、強化繊維束(ストランド)を所定の長さにカット(チョップド化)しながらランダムに方向に散布し、ホットプレスしてカットした繊維束に含浸してシート化(中間基材)を作成した。そして、搬送された該シートを所定の長さに切断し、所定の離型紙を介して積層した。
本SMCのシート化にはストランドを更に開繊し、分繊する工程がないので、ほぼ総ての繊維束は単糸レベル近くまでどころか、殆ど分繊されることはなく所定量(12K=単糸12,000本)に収束されたストランドの状態のままであった。ただ、ストランド状態であるので、繊維束の剛性が高いためカット長を長めにしたが、成形前は殆どが真直状態のままであった。
(3)FRP成形:上記SMC基材を所定量使用し、図5の金型を用いてプレス成形した。金型温度は160℃、プレス圧は80kg/cm2とした。繊維体積含浸率を算出すると約34%に相当した。
FRP成形体を約500℃で樹脂を焼き飛ばし、強化繊維の状態を観察した。プレス成形で樹脂と共に繊維束も流動している箇所が多くあったが、繊維束は余り開繊されることなく、多くが12Kのままから、分散されていても3K位までであった。また、コーナや角部などでは樹脂流動と共に流動した繊維束が曲がった状態のものが多く、更にまた繊維束単位で分散しているため、繊維束端部間に全く他の繊維束がないものから、数本の繊維束(従って、12K〜30K本)が健全繊維束として存在していたが、全く健全繊維束がない部位が多数有ったため、強度向上は望めない結果であった。
a、b:繊維端部
c :亀裂(クラック)
50 :SMC基材
51 :繊維束(ストランド)
60 :ハイブリッド繊維基材
61 :短繊維基材
62 :連続繊維基材
70 :バッチ抄造装置
71 :混合分散槽
72 :繊維貯蔵槽
73 :分散液貯蔵槽
74 :濾過網
75 :撹拌機
76 :被抄紙基材
77 :排出口
80 :強化繊維基材
81 :上型
82 :下型
83 :吸引口
84 :注入口
85 :易樹脂流動媒体
86 :シール用O−リング
90 :強化繊維基材
91 :上型
92 :下型
93 :熱硬化性樹脂シート
Claims (8)
- 少なくとも炭素繊維を含む短繊維の強化繊維の繊維束の集団からなる強化繊維基材と熱硬化性樹脂からなるマトリックス樹脂よりなる繊維強化樹脂であって、強化繊維基材の繊維束の90%以上が、単糸数が100本以下となるようにカード精紡機で開繊された繊維束からなり、真直な繊維束数が全繊維束数の70%以上であり、繊維束の配向が二次元的に擬似等方性であり、かつ、強化繊維の体積含有率が35%以上であることを特徴とする繊維強化樹脂。
- 前記繊維束が、強化繊維の繊維長の95%以上が3mm以上12mm以下の範囲にある炭素繊維を含む、請求項1に記載の繊維強化樹脂。
- 前記繊維束が、強化繊維の繊維長の95%以上が3mm以上40mm以下の範囲にあるガラス繊維を含む、請求項1または2に記載の繊維強化樹脂。
- 前記強化繊維基材が、前記繊維束を抄紙工程で抄造し、目付を100g/m2以上にした強化繊維基材からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維強化樹脂。
- 前記強化繊維基材が、バッチ抄造により、予め製品形状またはその展開形状に形成された濾過網を用いて抄造された強化繊維基材からなる、請求項4に記載の繊維強化樹脂。
- 前記短繊維の強化繊維の繊維束からなる強化繊維基材の少なくとも一面側に連続繊維からなる別の強化繊維基材が配設されている、請求項1〜5のいずれかに記載の繊維強化樹脂。
- RTM成形方法で成形されたものからなる、請求項1〜6のいずれかに記載の繊維強化樹脂。
- RFI成形方法で成形されたものからなる、請求項1〜6のいずれかに記載の繊維強化樹脂。
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