JP5239350B2 - プリプレグ及び繊維補強複合材料 - Google Patents
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Description
本発明は、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂としたプリプレグ及び繊維補強複合材料に関し、更に詳しくは、耐衝撃性に優れたプリプレグ及び繊維補強複合材料に関する。
炭素繊維に熱硬化性マトリクス樹脂を含浸させたプリプレグを積層して硬化させた繊維補強複合材料は、軽量で耐熱性が高く機械的強度も高いため、航空機の構造材料として広く適用されている。しかし、熱硬化性マトリックス樹脂は伸度が低くて脆いため、靭性（耐衝撃性）に劣る欠点があり、衝撃を受けた際の内部破壊により強度が低下するという問題がある。
そこで、従来、上記対策として、靭性に優れた熱可塑性樹脂の微粒子をプリプレグの表面層側に局在化させることにより、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、良好な効果を得るためには、添加量として、マトリックス樹脂と微粒子の重量の総和の４〜１０重量％、もしくはそれ以上の量を必要とし、多くの粉体成分がプリプレグ表面に局在化するため、プリプレグの作業性(タック)が低下するという問題がある。
特開昭６３−１７０２４８号公報
本発明の目的は、プリプレグの作業性(タック)を良好な状態に維持しながら、耐衝撃性を高めることが可能なプリプレグ及び繊維補強複合材料を提供することにある。
上記目的を達成する本発明のプリプレグは、補強繊維からなる補強基材を熱硬化性マトリックス樹脂中に埋設したプリプレグにおいて、該補強基材より少なくとも一方のプリプレグ表面側の熱硬化性マトリックス樹脂中に樹脂製中空微粒子を分散させ、前記樹脂製中空微粒子を前記プリプレグ表面側に局在化させたことを特徴とする。
本発明の繊維補強複合材料は、上記プリプレグを複数積層して硬化させてなることを特徴とする。
上述した本発明によれば、中空状であるために衝撃吸収性及び伸縮性がある樹脂製中空微粒子を補強基材より表面側の熱硬化性マトリックス樹脂中に分散させたので、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制することができるため、衝撃による内部破壊を抑えて耐衝撃性を高めることができる。
また、中空状であるために衝撃吸収性が高いので、樹脂製中空微粒子の添加量を従来の微粒子より低く抑えることができるため、プリプレグの作業性(タック)を損なうことがない。
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１，２は本発明のプリプレグの一実施形態を示し、このプリプレグ１は、長繊維からなる補強繊維２ａを一方向に引き揃えて配向させた補強基材２を熱硬化性マトリックス樹脂からなる樹脂層３中に埋設した構造になっている。補強基材２より樹脂層３の上面３ａ側の熱硬化性マトリックス樹脂中に樹脂製中空微粒子４が分散するようにして埋設されている。樹脂製中空微粒子４は、図３に示すように、補強基材２より下面３ｂ側の樹脂層３中にも分散埋設してもよく、補強基材２より少なくとも一方のプリプレグ表面側の熱硬化性マトリックス樹脂中に分散配置するようにすればよい。
補強基材２の補強繊維２ａとしては、従来公知のものが使用でき、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの有機または無機繊維を挙げることができる。好ましくは、強度３０００ＭＰａ以上の炭素繊維が強度の点からよい。補強繊維２ａの形態は、長繊維状モノフィラメントであっても、これらを束にしたものであってもよい。
熱硬化性マトリックス樹脂に使用する樹脂としても、従来と同様のものが使用でき、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。好ましくは、２官能以上のエポキシ樹脂を主成分とするものを使用するのが複合材成形性の点からよい。
樹脂製中空微粒子４の添加量としては、熱硬化性マトリックス樹脂と樹脂製中空微粒子４の重量の総和に対して３重量％以下にするのが、プリプレグのタック性の点からよい。樹脂製中空微粒子４の添加量の下限値は、耐衝撃性の点から１．５重量％以上にするのがよい。
樹脂製中空微粒子４の粒径としては、２００μｍ以下にするのがプリプレグ用樹脂フィルム成形性の点からよい。樹脂製中空微粒子４の粒径の下限値は、耐衝撃性の点から０．１μｍ以上にするのがよい。
樹脂製中空微粒子４を構成する樹脂としては、靭性が高い熱可塑性樹脂を好ましく用いることができるが、それに限定されない。熱可塑性樹脂としては、従来公知のものが使用でき、例えば、ウレタン系の熱可塑性樹脂などを好ましく用いることができる。
熱硬化性マトリックス樹脂と樹脂製中空微粒子４の重量の総和としては、プリプレグ全重量の３０〜６０重量％の範囲にするのがよい。重量の総和が３０重量％より低いと、成形品に樹脂欠損などの欠陥を生じ易くなる。逆に６０重量％を超えると、成形品物性に対する繊維の寄与率が下がり、十分な複合材強度が得られ難くなる。
例えば、上述した図３に示すプリプレグ１は、図４に示すようにして製造することができる。幅方向に配列した複数のリール１１から引き出された補強繊維２ａの群の上下両側に、ロール１２，１２から引き出された帯状の樹脂フィルム１３，１３を加熱ローラー１４，１４により加熱圧着し、樹脂フィルム１３，１３の樹脂を補強繊維２ａ群に含浸させた後、ロール１５，１５から引き出した樹脂製中空微粒子４を配合した帯状の樹脂フィルム１６，１６を加熱ローラー１７，１７により加熱圧着し、長尺の図３に示す構成のプリプレグ１を得ることができる。なお、図中１８は樹脂フィルム１５をその上に形成するための離型紙、１９は離型紙の巻き取りロールである。
本発明の繊維補強複合材料は、上述したプリプレグ１を複数積層して加熱により硬化させたものである。
上述した本発明によれば、中空状であるために衝撃吸収性及び伸縮性がある樹脂製中空微粒子４を補強基材２より表面側の熱硬化性マトリックス樹脂中に分散させたので、衝撃を緩和すると共に衝撃時の亀裂が伝播して繊維補強複合材料の層間で進行するのを抑制することができるため、衝撃による内部破壊を抑えて耐衝撃性を向上することができる。
他方、中空状であるために衝撃吸収性が高いので、樹脂製中空微粒子４の添加量を従来の微粒子より低く抑えることができる結果、プリプレグの作業性(タック)を良好な状態に維持することができる。
本発明において、上述したプリプレグ１は、補強基材２として一方向に引き揃えた補強繊維２ａからなる例を挙げたが、それに限定されず、織物からなる補強基材２を用いたものであってもよい。
表１に示す補強繊維とマトリックス樹脂及び樹脂製中空微粒子（ウレタン系熱可塑性樹脂(ユリア樹脂）を使用、粒径は平均４０μｍ)を用いたプリプレグを２４層（補強繊維を４５°ずつずらして積層した４層のプリプレグ×６）積層し、温度１８０℃、６気圧の条件下で２時間硬化させた繊維補強複合材料（参考例１，実施例１）と、樹脂製中空微粒子がない繊維補強複合材料（比較例１）、樹脂製中空微粒子に代えて無機中空微粒子（ガラスバルーン）を用いた繊維補強複合材料（比較例２）、樹脂製中空微粒子に代えて熱可塑性微粒子（ナイロン１２使用）を用いた繊維補強複合材料（比較例３）、樹脂製中空微粒子に代えてコアシェル状アクリルゴム微粒子を用いた繊維補強複合材料（比較例４）を作製した。
熱硬化性マトリックス樹脂と微粒子の重量の総和に対する微粒子の添加量比率、及びプリプレグ全重量に対する熱硬化性マトリックス樹脂と微粒子の重量の総和比率は、表１に示す通りである。
これら各繊維補強複合材料から試験片を切出し、２７０ｌｂ・ｉｎの衝撃付与後、圧縮強度を測定したところ、表１に示す結果を得た。本試験方法はＳＡＣＭＡ(Supplier of Advanced Composite Materials Association)ＳＲＭ２に準拠した。
表１から、本発明は高い耐衝撃性を確保できることがわかる。
また、各繊維補強複合材料の成形前のプリプレグの段階で、プリプレグのタックを調べたところ、本発明のプリプレグはタックが良好であることを確認した。
１ プリプレグ
２ 補強基材
２ａ 補強繊維
３ 樹脂層
４ 樹脂製中空微粒
２ 補強基材
２ａ 補強繊維
３ 樹脂層
４ 樹脂製中空微粒
Claims (9)
- 補強繊維からなる補強基材を熱硬化性マトリックス樹脂中に埋設したプリプレグにおいて、該補強基材より少なくとも一方のプリプレグ表面側の熱硬化性マトリックス樹脂中に樹脂製中空微粒子を分散させ、前記樹脂製中空微粒子を前記プリプレグ表面側に局在化させたプリプレグ。
- 前記樹脂製中空微粒子の添加量が、熱硬化性マトリックス樹脂と樹脂製中空微粒子の重量の総和に対して３重量％以下である請求項１に記載のプリプレグ。
- 前記樹脂製中空微粒子の粒径が２００μｍ以下である請求項１または２に記載のプリプレグ。
- 前記樹脂製中空微粒子を構成する樹脂が熱可塑性樹脂である請求項１，２または３に記載のプリプレグ。
- 前記補強繊維が強度３０００ＭＰａ以上の炭素繊維である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプリプレグ。
- 前記熱硬化性マトリックス樹脂と樹脂製中空微粒子の重量の総和が、プリプレグ全重量の３０〜６０重量％である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプリプレグ。
- 前記熱硬化性マトリックス樹脂が２官能以上のエポキシ樹脂を主成分とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプリプレグ。
- 前記補強基材を構成する前記補強繊維の群の上下両側に前記熱硬化性マトリックス樹脂の一部を構成する樹脂フィルムを加熱圧着して該樹脂フィルムの樹脂を前記補強繊維の群に含浸させ、その上下両側に樹脂製中空微粒子が配合された前記熱硬化性マトリックス樹脂の残余の部分を構成する樹脂フィルムを加熱圧着することにより、前記樹脂製中空微粒子を前記プリプレグ表面側に局在化させた請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプリプレグ。
- 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプリプレグを複数積層して硬化させてなる繊維補強複合材料。
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