JP6167097B2 - 炭素繊維強化プラスチック材料及びそれを利用したプリプレグ成形品の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プリプレグを貼り合わせてなる炭素繊維強化プラスチック材料及びそれを利用したプリプレグ成形品の製造方法に関するものである。
従来、繊維基材としてノンクリンプ織物（ＮＣＦ；ＮＯＮ ＣＲＩＭＰ ＦＡＢＲＩＣ）が頻繁に使用されている。ノンクリンプ織物は、図５に示すように、多方向に積層した繊維の束１をナイロンやポリエステル等の高分子の糸２によって縛ったものである。このため、繊維織物とは構造が異なり、繊維のうねりが非常に小さいので、強化繊維の特性を有効に発揮することができるとともに、成形時には樹脂の流れが円滑になり成形性が良く、また取扱いも容易であるといった利点を有している。
このようなノンクリンプ織物については、例えば、特許文献１に開示されている。
このようなノンクリンプ織物については、例えば、特許文献１に開示されている。
しかしながら、繊維の束１を縛る糸２を構成する樹脂の成分が、繊維の束１に含浸された熱可塑性樹脂と異なる場合には糸２で縛ったときの強度が低下する恐れがある。
また、繊維の束１に含浸された熱可塑性樹脂と同じ樹脂では糸２に加工することできない場合や、加工できたとしても強度的に弱く縛る糸２として使用するには十分ではない場合もある。
また、繊維の束１に含浸された熱可塑性樹脂と同じ樹脂では糸２に加工することできない場合や、加工できたとしても強度的に弱く縛る糸２として使用するには十分ではない場合もある。
なお、特許文献１に記載の発明は、たて方向およびよこ方向を含む二方向以上に炭素繊維糸条が配列している導電性織物で、たて方向およびよこ方向に金属線が炭素繊維糸条と並行に配列され、平面上の任意の２５ｃｍ2におけるたて方向の金属線と、よこ方向の金属線とが互いに７０％以上で交錯され、導電性織物のカバーファクターが９０〜１００％であるようにすることによって、たて方向の金属線とよこ方向の金属線との交錯点を多く存在させることができ、これにより、導電性，力学特性および表面品位に優れる複合材料を生産性良く得ることができるというものである。
しかし、炭素繊維糸条が配列している導電性織物だけからなるものではなく、金属線が設けられているので、上述したように両者の材質によっては強度が低下するといった問題がある。また、たて方向の炭素繊維糸条とよこ方向の炭素繊維糸条が織られてなるものであるので、金属線を使用したとしても強度が十分であるとはいえない。
そこで、本発明の目的とするところは、二つのプリプレグについて織りを入れることなく、強い力で貼り合わせることのできる炭素繊維強化プラスチック材料を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の炭素繊維強化プラスチック材料（１００）は、一方向に延びるＵＤテーププリプレグ（１０ａ）を複数枚、前記一方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第１プリプレグ群（１０）と、
前記第１プリプレグ群（１０）の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるＵＤテーププリプレグ（２０ａ）を複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群（１０）に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群（２０）を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群（１０）に並設された各々のＵＤテーププリプレグ（１０ａ）は、前記第２プリプレグ群（２０）に並設されたすべてのＵＤテーププリプレグ（２０ａ）に直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする。
前記第１プリプレグ群（１０）の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるＵＤテーププリプレグ（２０ａ）を複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群（１０）に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群（２０）を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群（１０）に並設された各々のＵＤテーププリプレグ（１０ａ）は、前記第２プリプレグ群（２０）に並設されたすべてのＵＤテーププリプレグ（２０ａ）に直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする。
また、本発明の炭素繊維強化プラスチック材料は、一方向に延びるヤーンプリプレグを複数枚、前記一方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第１プリプレグ群と、
前記第１プリプレグ群の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるヤーンプリプレグを複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群に並設された各々のヤーンプリプレグは、前記第２プリプレグ群に並設されたすべてのヤーンプリプレグに直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする。
前記第１プリプレグ群の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるヤーンプリプレグを複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群に並設された各々のヤーンプリプレグは、前記第２プリプレグ群に並設されたすべてのヤーンプリプレグに直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする。
なお、上記ＵＤテーププリプレグ（１０ａ，２０ａ）及びヤーンプリプレグには、熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂として繊維基材に半含浸させた柔軟性に優れた、いわゆるＵＤテープセミプレグ及びヤーンセミプレグも含まれることを意味する。
また本発明は、前記一方向は横方向で、前記他方向は前記横方向に直交する縦方向であることを特徴にする。
また、本発明の炭素繊維強化プラスチック材料は、前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の炭素繊維強化プラスチック材料（１００）を利用したプリプレグ成形品の製造方法であって、
前記炭素繊維強化プラスチック材料（１００）を１枚又は複数枚重ねたものを金型にセットして加熱加圧処理を施し型成形することを特徴にする。
前記炭素繊維強化プラスチック材料（１００）を１枚又は複数枚重ねたものを金型にセットして加熱加圧処理を施し型成形することを特徴にする。
なお、括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に記載された対応要素または対応事項を示す。
本発明の炭素繊維強化プラスチック材料によれば、一方向に延びるＵＤテーププリプレグを複数枚、一方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第１プリプレグ群に、他方向に延びるＵＤテーププリプレグを複数枚、他方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第２プリプレグ群が重ねられ、両者が超音波融着により一体化されたものであり、特に織りを入れないようにしたので、従来例で示したように、交差するプリプレグを縛る糸を設ける必要はない。
したがって、糸の成分をプリプレグに含浸された熱可塑性樹脂と同じ樹脂で構成する点について何ら考慮する必要はない。
したがって、糸の成分をプリプレグに含浸された熱可塑性樹脂と同じ樹脂で構成する点について何ら考慮する必要はない。
また、本発明によれば、特に織りが入っていないため、第１プリプレグ群と第２プリプレグ群を重ねて一体化した場合に強度が低下することはない。また、第１プリプレグ群と第２プリプレグ群が重ねられ超音波融着により、それらプリプレグの樹脂自身で融着しているため不純物が混入することもなく、それによる強度低下も生じない。
なお、第１プリプレグ群のＵＤテーププリプレグが延びる方向と第２プリプレグ群のＵＤテーププリプレグが延びる方向は横方向と縦方向で直交するようにしてもよいが、必ずしも両者は９０°（度）で交わるものでなくてもよい。
また、第１プリプレグ群と第２プリプレグ群がそれぞれＵＤテーププリプレグから構成されたものに限らず、これにかえて、ヤーンプリプレグで構成されたものであっても上述した同様の効果が得られる。
また、本発明によれば、第１プリプレグ群に並設された各々のＵＤテーププリプレグ又はヤーンプリプレグは、第２プリプレグ群に並設されたすべてのＵＤテーププリプレグ又はヤーンプリプレグに直接、超音波融着されてなるようにしたので、十分な強度で一体化されている。
また、本発明のプリプレグ成形品の製造方法は、上述したように、第１プリプレグ群と第２プリプレグ群を重ねて超音波融着で一体化してなる炭素繊維強化プラスチック材料を、１枚で、あるいは、複数枚重ねたものを金型にセットして加熱加圧処理を施し型成形するものであるので、第１プリプレグ群と第２プリプレグ群は十分な強度で仮固定され、金型にセットするとき容易にずれることはなく、安定した状態で型成形される。
なお、本発明の炭素繊維強化プラスチック材料のように、ＵＤテーププリプレグ又はヤーンプリプレグからなる第１プリプレグ群と第２プリプレグ群を重ねて超音波融着で一体化して、特に織りを入れないようにした点は、上述した特許文献１には全く記載されていない。
図面を参照して本発明の実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック材料及びそれを利用したプリプレグ成形品の製造方法について説明する。
本実施形態の炭素繊維強化プラスチック材料１００は、図１に示すように、複数枚（特に枚数に限定されるものではないが、ここでは１８枚）のＵＤテーププリプレグ１０ａからなる第１プリプレグ群１０と、同じく複数枚（特に枚数に限定されるものではないが、ここでは１０枚）のＵＤテーププリプレグ２０ａからなる第２プリプレグ群２０とが交差するように重ねられるとともに、両者は特に織りを入れない状態で固定されてなる。
本実施形態の炭素繊維強化プラスチック材料１００は、図１に示すように、複数枚（特に枚数に限定されるものではないが、ここでは１８枚）のＵＤテーププリプレグ１０ａからなる第１プリプレグ群１０と、同じく複数枚（特に枚数に限定されるものではないが、ここでは１０枚）のＵＤテーププリプレグ２０ａからなる第２プリプレグ群２０とが交差するように重ねられるとともに、両者は特に織りを入れない状態で固定されてなる。
第１プリプレグ群１０は、一方向、例えば横方向に延びるＵＤテーププリプレグ１０ａを複数枚、一方向に直交する方向、図１では、横方向に直交する縦方向に隙間なく並設されたものであって、隣接するＵＤテーププリプレグ１０ａ間は接着されていない。
また、第２プリプレグ群２０は、他方向、例えば縦方向に延びるＵＤテーププリプレグ２０ａを複数枚、他方向に直交する方向、図１では、縦方向に直交する縦方向に隙間なく並設されたものであって、隣接するＵＤテーププリプレグ２０ａ間も接着されていない。 なお、本実施形態でいうＵＤテーププリプレグ１０ａ，２０ａには、熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂として繊維基材に半含浸させてなり柔軟性に優れた、いわゆるＵＤテープセミプレグも含まれる。
また、第２プリプレグ群２０は、他方向、例えば縦方向に延びるＵＤテーププリプレグ２０ａを複数枚、他方向に直交する方向、図１では、縦方向に直交する縦方向に隙間なく並設されたものであって、隣接するＵＤテーププリプレグ２０ａ間も接着されていない。 なお、本実施形態でいうＵＤテーププリプレグ１０ａ，２０ａには、熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂として繊維基材に半含浸させてなり柔軟性に優れた、いわゆるＵＤテープセミプレグも含まれる。
そして、第１プリプレグ群１０の上に重ねられた第２プリプレグ群２０は、第１プリプレグ群１０に対して超音波融着による手段のみによって一体化されている。
超音波融着は、超音波熱融着又は超音波溶着とも呼ばれ、図示を省略した一般的な超音波融着機を使用して、微細な超音波振動と加圧力によってＵＤテーププリプレグ１０ａ及びＵＤテーププリプレグ２０ａを構成する熱可塑性樹脂を瞬時に溶融して接合するもので、図１に示すように、複数の超音波融着点３０が離散的に形成されている。
超音波融着は、超音波熱融着又は超音波溶着とも呼ばれ、図示を省略した一般的な超音波融着機を使用して、微細な超音波振動と加圧力によってＵＤテーププリプレグ１０ａ及びＵＤテーププリプレグ２０ａを構成する熱可塑性樹脂を瞬時に溶融して接合するもので、図１に示すように、複数の超音波融着点３０が離散的に形成されている。
本実施形態例では、第１プリプレグ群１０に並設された各々１８枚のＵＤテーププリプレグ１０ａは、第２プリプレグ群２０に並設されたすべての、すなわち、１０枚のＵＤテーププリプレグ２０ａに規則正しく等間隔で直接、超音波融着されてなる。よって、ここでは、１８０個（＝１８×１０）の超音波融着点３０が形成されている。
このように、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０は、超音波融着による固定手段だけで一体化されたものであり、特に織りを入れないようにしたので、従来例で示したように、交差するプリプレグを縛る糸を設ける必要はなく、簡単かつ強度的にも強く固定することができる。
また、本実施形態によれば、特に織りが入っていないため、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０を重ねて一体化した場合に強度が低下することはない。また、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０が重ねられ超音波融着により、それらプリプレグの樹脂自身で融着しているため不純物が混入することもなく、それによる強度低下も生じない。
そして、このように構成された炭素繊維強化プラスチック材料１００を利用してプリプレグ成形品を製造するには、炭素繊維強化プラスチック材料１００を１枚（単体）又は複数枚重ねたものを金型（図示しない）にセットして加熱加圧処理を施すことで、目的にする成形品が型成形される。
このとき、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０は超音波融着によって十分な強度で仮固定されているので、金型にセットするとき容易にずれることはなく、安定した状態で型成形加工を施すことができる。
このとき、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０は超音波融着によって十分な強度で仮固定されているので、金型にセットするとき容易にずれることはなく、安定した状態で型成形加工を施すことができる。
なお、本発明の実施形態では、超音波融着については超音波融着機を使用して複数の超音波融着点３０を離散的に形成するようにしたが、超音波融着点の形状は特に限定されるものではなく、例えば、図２に示したように、超音波ミシン（図示しない）を使用して第２プリプレグ群２０に並設されたＵＤテーププリプレグ２０ａのそれぞれを縦方向に二分割するステッチ状のミシン目を超音波融着点３１として形成するようにしてもよい。
また、超音波融着点３０の数については、図１では、第１プリプレグ群１０に並設された各々のＵＤテーププリプレグ１０ａが、第２プリプレグ群２０に並設されたすべてのＵＤテーププリプレグ２０ａに超音波融着されるように、一つのＵＤテーププリプレグ１０ａに対してそれに交差するＵＤテーププリプレグ２０ａの数分（ここでは、１８個分）の超音波融着点３０をすべての交差位置に形成するようにしたが、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０を安定して固定することができれば超音波融着点３０の数は限定されるものではなく、例えば、図３に示したように、一つ置きの交差位置に超音波融着点３０を形成するとともに隣接するＵＤテーププリプレグ１０ａでは超音波融着点３０の位置をずらして形成することもできる。
また、本発明の実施形態では、第１プリプレグ群１０のＵＤテーププリプレグ１０ａが延びる方向と第２プリプレグ群２０のＵＤテーププリプレグ２０ａが延びる方向を横方向と縦方向で直交するようにしたが、例えば、図３に示したように、必ずしも両者は９０°（度）で交わるものでなくてもよい。く、
また、本実施形態では、第１プリプレグ群１０と第２プリプレグ群２０がそれぞれＵＤテーププリプレグから構成されたものであったが、これにかえて、ヤーンプリプレグ（熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂として繊維基材に半含浸させた柔軟性に優れた、いわゆるヤーンセミプレグも含まれる。）で構成されたものであっても上述した同様の効果が得られる。
１ 繊維の束
２ 糸
１０ 第１プリプレグ群
１０ａ ＵＤテーププリプレグ
２０ 第２プリプレグ群
２０ａ ＵＤテーププリプレグ
３０ 超音波融着点
３１ 超音波融着点
１００ 炭素繊維強化プラスチック材料
２ 糸
１０ 第１プリプレグ群
１０ａ ＵＤテーププリプレグ
２０ 第２プリプレグ群
２０ａ ＵＤテーププリプレグ
３０ 超音波融着点
３１ 超音波融着点
１００ 炭素繊維強化プラスチック材料
Claims (4)
- 一方向に延びるＵＤテーププリプレグを複数枚、前記一方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第１プリプレグ群と、
前記第１プリプレグ群の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるＵＤテーププリプレグを複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群に並設された各々のＵＤテーププリプレグは、前記第２プリプレグ群に並設されたすべてのＵＤテーププリプレグに直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする炭素繊維強化プラスチック材料。 - 一方向に延びるヤーンプリプレグを複数枚、前記一方向に直交する方向に隙間なく並設されてなる第１プリプレグ群と、
前記第１プリプレグ群の上に交差するように重ねられ、他方向に延びるヤーンプリプレグを複数枚、前記他方向に直交する方向に隙間なく並設され、前記第１プリプレグ群に対して超音波融着により一体化されてなる第２プリプレグ群を備え、織りを入れないようにし、
前記第１プリプレグ群に並設された各々のヤーンプリプレグは、前記第２プリプレグ群に並設されたすべてのヤーンプリプレグに直接、前記超音波融着されてなることを特徴にする炭素繊維強化プラスチック材料。 - 前記一方向は横方向で、前記他方向は前記横方向に直交する縦方向であることを特徴にする請求項１又は２に記載の炭素繊維強化プラスチック材料。
- 前記請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の炭素繊維強化プラスチック材料を利用したプリプレグ成形品の製造方法であって、
前記炭素繊維強化プラスチック材料を１枚又は複数枚重ねたものを金型にセットして加熱加圧処理を施し型成形することを特徴にするプリプレグ成形品の製造方法。
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