JP5295899B2 - 繊維強化樹脂複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂複合材料の製造方法の技術に関する。

繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）は、その力学物性が優れているため、スポーツレジャー用途をはじめ、航空宇宙用途、一般産業用途等に広く用いられている。

繊維強化樹脂複合材料の製造には、各種の方式が用いられるが、強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを用いる方法が普及している。この方法では、プリプレグを所定の大きさに裁断して複数枚積層した後、これを加圧・加熱すること等によって、成形体である繊維強化樹脂複合材料を得る。

このような方法で得られる繊維強化樹脂複合材料の場合、面方向の強度、弾性等は強化繊維そのものの強度が反映するため、充分に持たせ得るが、面と直角方向の強度、弾性等は、層間樹脂の強度に支配されるので強化繊維の積層面での剥離が起こりやすく、面方向の強度に比べると弱い。

そして、従来から、面と直角方向の強度を向上させるための繊維強化樹脂複合材料の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特公昭５７−２７７４６号公報 特公昭６２−２５０９４号公報 特公平３−３９８２１号公報 特開２０００−１４３３６０号公報

本発明の目的は、耐層間せん断力を向上させることができる繊維強化樹脂複合材料の製造方法を提供することである。

本発明の繊維強化樹脂複合材料は、強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを面積層する積層工程と、溝部が形成されたニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向にねじ込むねじ込み工程と、加圧加熱して、前記未硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、を備え、前記ねじ込み工程では、前記積層したプリプレグの各積層間を少なくとも前記溝部が挿通するまで、前記ニードルをねじ込む。

本発明の繊維強化樹脂複合材料は、強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを面積層する積層工程と、返し部が形成されたニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向にねじ込むねじ込み工程と、加圧加熱して、前記未硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、を備え、前記ねじ込み工程では、前記積層したプリプレグの各積層間を少なくとも前記返し部が挿通するまで、前記ニードルをねじ込む。

また、前記繊維強化樹脂複合材料の製造方法において、前記ねじ込み工程では、前記ニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向で、且つ積層面に対して斜めにねじ込むことが好ましい。

本発明によれば、繊維強化樹脂複合材料の耐層間せん断力を向上させることができる。

本実施形態のねじ込み工程を説明するための図である。 本実施形態で用いられる溝部が形成されたニードルの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態で用いられる返し部が形成されたニードルの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態のねじ込み工程を説明するための図である。 本実施形態のねじ込み工程の他の一例を説明するための図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材料の製造方法では、まず、強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを面積層する（積層工程）。

本実施形態のプリプレグは、強化繊維を一方向に引き揃え熱硬化性樹脂（未硬化樹脂）を含浸した、いわゆる、ＵＤプリプレグであっても、強化繊維を製織して織物とし、これに熱硬化性樹脂組成物を含浸したプリプレグであっても良く、特に制限はない。本実施形態で用いられる強化繊維としては、通常の繊維強化樹脂複合材料に用いられるものであればよく、特に制限されるものではないが、例えば、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等が挙げられる。本実施形態で用いられる熱硬化性樹脂は、熱または光などの外部エネルギーにより硬化して、少なくとも部分的に三次元に架橋を形成する樹脂であれば、特に制限されるものではなく、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、フランポリイミド等の樹脂が挙げられる。

プリプレグの積層方法は、特に制限されるものではなく、公知の積層方法、例えば、織布状のプレプレグを所定の大きさに裁断して積層する方法、公知のフィラメントワインディング法等により積層する方法等が挙げられる。

次に、本実施形態では、溝部又は返し部が形成されたニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向にねじ込む（ねじ込み工程）。図１は、本実施形態のねじ込み工程を説明するための図である。図１に示すように、積層したプリプレグ１０に、溝部１８又は返し部２０が形成されたニードル（１２又は１４）を回転させながら挿入する。そして、プリプレグ１０の各積層（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）間をニードル（１２又は１４）の溝部１８又は返し部２０が挿通するまで、ニードルをねじ込んだ後、抜き取る（又はそのまま打ち抜いてもよい）。このような手順をプリプレグ１０の面方向に所定の間隔を空けて、繰り返し行う。また、本実施形態では、ニードル（１２又は１４）の溝部１８又は返し部２０がプリプレグ１０を貫通するまで、ニードル（１２又は１４）をねじ込んだ後、抜き取ってもよい。ニードルをねじ込む間隔は、必要な強度に応じて適切な間隔を空けてねじ込むことが好ましい。また、各積層間の繊維が相互に良く絡みつく点で、プリプレグの繊維束の交点にニードルをねじ込むことがより好ましい。

このように、ニードル（１２又は１４）を回転させながら、積層したプリプレグ１０に対して積層方向にねじ込むことにより、各積層（１０ａ，１０ｂ、１０ｃ）間の強化繊維が相互に絡みつくため、耐層間せん断力を高めることができる。特に、溝部１８又は返し部２０により、強化繊維同士の絡みつきをより高めることができる。

本実施形態のニードル（１２又は１４）の直径は、繊維強化樹脂複合材料の大きさ、積層数等により適宜設定されればよいが、例えば、０．５〜３ｍｍの直径であることが好ましい。図２は、本実施形態で用いられる溝部が形成されたニードルの構成の一例を示す模式図である。図２（Ａ）に示すように、ニードル１２に設けられる溝部１８は、ニードル１２の頂面２２に形成されていてもよいし、図２（Ｂ）に示すように、溝部１８は、ニードル１２の先端付近の外周面２４に形成されていてもよいし、図２（Ｃ）に示すように、溝部１８は、先端から所定の距離をあけた外周面２４の位置に形成されていてもよい。なお、溝部１８は、複数形成されていてもよい。また、溝部１８の深さ、幅は特に制限されるものではなく、繊維強化樹脂複合材料の大きさ、積層数、ニードルの直径等により適宜設定されればよい。

図３は、本実施形態で用いられる返し部が形成されたニードルの構成の一例を示す模式図である。図３（Ａ）に示すように、ニードル１４に設けられる返し部２０は、ニードル１４の先端に形成されていてもよいし、図３（Ｂ）に示すように、先端から所定の距離をあけた外周面２４に形成されていてもよい。なお、返し部２０は、複数形成されていてもよい。また、返し部２０の折り返し角度、折り返しの長さは、特に制限されるものではなく、繊維強化樹脂複合材料の大きさ、積層数、ニードルの直径等により適宜設定されればよい。

図４は、本実施形態のねじ込み工程を説明するための図である。溝部１８又は返し部２０が先端から所定の距離をあけた外周面２４に形成されニードル（１２，１４）を用いる場合には、図４に示すように、積層したプリプレグ１０に、溝部１８又は返し部２０が形成されたニードル（１２，１４）を回転させながら挿入し、プリプレグ１０の各積層（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）間をニードル（１２，１４）の溝部１８又は返し部２０が挿通するまで、ニードル（１２，１４）をねじ込んだ後、抜き取る（又はそのまま打ち抜いてもよい）。このような手順をプリプレグ１０の面方向に所定の間隔を空けて、繰り返し行う。

図５は、本実施形態のねじ込み工程の他の一例を説明するための図である。図５に示すように、積層したプリプレグ１０に、溝部１８又は返し部２０が形成されたニードル（１２，１４）を回転させながら、積層面に対して斜めに挿入し、プリプレグ１０の各積層（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）間をニードル（１２，１４）の溝部１８又は返し部２０が挿通するまで、ニードル（１２，１４）をねじ込んだ後、抜き取る（又はそのまま打ち抜いてもよい）。このような手順をプリプレグ１０の面方向に所定の間隔を空けて、繰り返し行う。本実施形態において、積層面に対するニードル（１２，１４）の挿入角度は、プリプレグ１０の積層数等によって適宜設定されればよく、特に制限されるものではないが、例えば、２５°〜６５°の範囲であることが好ましい。

このように、ニードル（１２，１４）を回転させながら、積層したプリプレグ１０に対して積層方向で、且つ積層面に対して斜めにねじ込ませる方が、積層面に対して垂直にねじ込ませるより、各積層（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）間の強化繊維がより相互に絡みつくため、耐層間せん断力を高めることができる。

次に、本実施形態では、積層したプリプレグをオーブン又はオートクレーブ等に投入し、加圧・加熱して、未硬化樹脂を硬化させる（硬化工程）。または、積層したプリプレグをバッグして内部を真空引きして、加熱する（相対的には１気圧の加圧・加熱になる）方法等でもよい。加熱温度は、繊維強化樹脂複合材料の大きさ、積層数、使用する樹脂の硬化温度等により適宜設定されればよいが、例えば、１２０℃〜２００℃の範囲であることが好ましい。

本実施形態では、上記硬化工程と共に（硬化工程の前又は後でもよい）、ニードル（１２又は１４）によって、積層したプリプレグ１０に形成された挿通孔に熱硬化性樹脂を充填し、硬化させる工程を備えることも可能である。

以上のように、積層工程、ねじ込み工程、硬化工程により、耐層間せん断力が向上した繊維強化樹脂複合材料が得られる。

以下、実施例及び参考例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
直径約７μｍの炭素繊維束を製織して織物とし、これに熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を含浸したプリプレグを６層積層した。次に、約４ｍｍの間隔で、積層面に対して垂直に図２（Ａ）に示す溝部付きのニードル（直径１ｍｍ）を回転させながらねじ込んだ。その後、１２０℃、０．３ＭＰａで加熱・加圧し、熱硬化性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂複合材料を得た。これを実施例１として、層間せん断力（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。層間せん断力の試験方法は、ＪＩＳ Ｋ７０７８（炭素繊維強化プラスチックの層間せん断試験方法）に基づいて行った。

（実施例２，３）
実施例２，３では、約４ｍｍの間隔で、積層面に対して斜めに図２（Ａ）に示す溝部付きのニードル（直径１ｍｍ）を回転させながらねじ込ませたこと以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。実施例２の積層面に対するニードルの挿入角度は、積層面の長手方向に対して４５°とし、実施例３の積層面に対するニードルの挿入角度は、積層面の短手方向に対して４５°の範囲とした。

（比較例１）
比較例１は、直径約７μｍの炭素繊維束を製織して織物とし、これに熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を含浸したプリプレグを６層積層した後、１２０℃、０．３ＭＰａで加熱・加圧し、熱硬化性樹脂を硬化させた繊維強化樹脂複合材料である。

（比較例２）
直径約７μｍの炭素繊維束を製織して織物とし、これに熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を含浸したプリプレグを６層積層した。次に、約４ｍｍの間隔で、積層面に対して垂直に図３（Ａ）に示す返し部付きのニードル（直径１ｍｍ）を回転させずに挿入した。その後、１２０℃、０．３ＭＰａで加熱・加圧し、熱硬化性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂複合材料を得た。これを比較例２とした。

表１に、実施例１〜３及び比較例１，２の層間のせん断応力をまとめた。表１から判るように、実施例１〜３及び比較例２のように、溝部又は返し部付きのニードルを積層したプリプレグに挿通させた方が、比較例１のようにニードルをプリプレグに挿通させていないものより、層間のせん断応力を向上させることができた。そして、該ニードルを回転させながらねじ込んだ実施例１〜３の方が、ニードルを回転させないで挿通させた比較例２より、さらに層間のせん断応力を向上させることができた。特に、ニードルを積層面に対して斜めにねじ込んだ実施例２及び３が最も高い層間のせん断応力を示すことがわかった。

１０ プリプレグ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 積層、１２，１４ ニードル、１８ 溝部、２０ 返し部、２２ 頂面、２４ 外周面。

Claims (3)

1. 強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを面積層する積層工程と、
   溝部が形成されたニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向にねじ込むねじ込み工程と、
   加圧加熱して、前記未硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、を備え、
   前記ねじ込み工程では、前記積層したプリプレグの各積層間を少なくとも前記溝部が挿通するまで、前記ニードルをねじ込むことを特徴とする繊維強化樹脂複合材料の製造方法。
2. 強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを面積層する積層工程と、
   返し部が形成されたニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向にねじ込むねじ込み工程と、
   加圧加熱して、前記未硬化樹脂を硬化させる硬化工程と、を備え、
   前記ねじ込み工程では、前記積層したプリプレグの各積層間を少なくとも前記返し部が挿通するまで、前記ニードルをねじ込むことを特徴とする繊維強化樹脂複合材料の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の繊維強化樹脂複合材料の製造方法であって、前記ねじ込み工程では、前記ニードルを回転させながら、前記積層したプリプレグに対して積層方向で、且つ積層面に対して斜めにねじ込むことを特徴とする繊維強化樹枝複合材料の製造方法。

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