JP6652523B2 - 強化繊維基材及びプリフォーム。 - Google Patents

Description

本発明は、RTMによるFRPの成形に適した繊維基材及びプリフォームに関し、具体的には、賦形性に優れ、マトリックス樹脂の未含浸や樹脂リッチを抑えることができる繊維基材及びプリフォームに関する。

FRP（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）の成形方法としてRTM（Resin Transfer Molding）、VaRTM（Vacuum Assisted RTM）、HP-RTM(High Pressure RTM)等が知られている。
例えばRTM成形では、樹脂を含浸させていない状態の繊維基材や繊維基材の積層体を成形型内に配置し、型締めの後、型内を減圧して熱硬化性のマトリックス樹脂を加圧注入することで、マトリックス樹脂を繊維基材に含浸させる。次に型を加熱してマトリックス樹脂を硬化させることでFRPの成形品を製造する。
また、大型や肉厚のCFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック）の成形品を製造する場合には、まず炭素繊維基材を上下の賦形型で挟み込み所定形状に賦形することでプリフォームを作製し、このプリフォームを型内に配置してマトリックス樹脂で硬化させることもある。

繊維基材として、チョップド繊維束等の不連続繊維を用いる場合や、連続繊維から成る織物等を用いる場合がある。不連続繊維は連続繊維から成る織物と比較して流動性があるため賦形性に優れ、立体形状への対応性や成形品にしわ等が生じにくいという利点や、端材が少ないという利点がある。
不連続繊維は、連続繊維から成る繊維束を所定の長さにカット（チョップド化）することで製造する。そして、この不連続繊維の束をランダムな方向に散布・積層し、バインダーで仮固定してシート化することで繊維基材を製造する。

例えば特許文献1には、SMC(Sheet Molding Compound)用ではあるが、連続炭素繊維の繊維束を切断して得られた不連続繊維の束（チョップド繊維束）を、半硬化状態の熱硬化性樹脂フィルム上にランダムに配置し、ホットプレスにより成形したシート状の炭素繊維基材が開示されている。
また、特許文献2には、一方向に配列した炭素の繊維束（ストランド）に熱可塑性樹脂を含浸させてプリプレグを製造し、このプリプレグを例えば繊維長が25〜50mm程度になるように切断した小片（チョップドストランド・プリプレグ）が開示されている。このチョップドストランド・プリプレグを、繊維方向がランダムになるように積層して加熱・加圧することでシート状の炭素繊維基材が得られる。
以下、本明細書では一方向に配列した不連続繊維の束を、その繊維方向がランダムになるように積層し、バインダー等で仮固定させたシート状の繊維基材を「チョップドシート」と表記する。

特開2016−155912号公報 特開2014−113713号公報

しかし、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、RTM成形ではマトリックス樹脂が成形型内の隅々まで行き渡り、繊維基材がマトリックス樹脂によって充分に含浸されていないと、ボイドやピンホールが発生してしまい、成形品の機械的特性や表面品位の低下を招くという問題がある。
特に、繊維基材としてチョップドシートを用いる場合、不連続繊維の束をその繊維方向がランダムに且つ均一な厚さに積層することが困難であり、積層嵩にばらつきが生じることがある。その場合、積層嵩が過多の部分には型内で高圧がかかり繊維の充填が過密になりマトリックス樹脂の流路（繊維や繊維束の隙間）が十分確保できず未含浸になることがあり、一方、積層嵩が過小の部分は樹脂リッチになり、成形品に反りが出るという問題がある。

本発明は、上記のような問題を考慮して、RTMによるFRPの成形に適しており、賦形性に優れ、マトリックス樹脂の未含浸や樹脂リッチを抑えることができる繊維基材及びプリフォームを提供することを課題とする。

本発明の繊維機材は、RTM成形によるFRPの成形に使用する繊維基材において、開繊した繊維束から成り一方向に配列した不連続繊維の束が、その繊維方向がランダムになるように積層された状態で仮固定されて成るチョップドシートと、樹脂透過性を有するクッション材とを備えており、前記不連続繊維が炭素繊維であり、前記クッション材が前記チョップドシートの裏面側に配置され、RTM成形の際の成形型からの加圧によって弾性変形することで前記不連続繊維の束の積層嵩の違いに起因した前記チョップドシートの凹凸を吸収し、且つ前記クッション材の弾性を利用して過密な積層部分を緩和し、又、過疎な積層部分をカバーすることで、FRPの成形品においてマトリックス樹脂が行き渡らなかったり、樹脂リッチになったりする現象を防止することを特徴とする。
ここでバインダーとは不連続繊維の束同士を固着するために繊維束へ付与するものであり、例えば粉末状の形状で熱可塑性を有しており、加熱融着により不連続繊維の束を積層固定することができる。
ここでクッション材とは、成形型内の厚みに応じて見かけ密度および寸法が変化する弾力性のある基材である。
また、前記クッション材が不織布であることを特徴とする。
また、前記クッション材が、上下二層に配置された前記チョップドシートの間に配置されることを特徴とする。
本発明のプリフォームは、上記繊維基材が賦形型によって所定形状に賦形されて成ることを特徴とする。

本発明の繊維基材（プリフォーム）はチョップドシートの裏面側にクッション材を備える。チョップドシートの表面には不連続繊維の束の積層嵩の違いに起因した凹凸が存在するが、RTM成形時の成形型からの加圧によってクッション材が弾性変形することでこの凹凸は吸収される。これにより繊維基材（プリフォーム）に対して極端に高圧又は低圧がかかる部分がなくなる。
また、加圧注入されたマトリックス樹脂は、樹脂透過性を有するクッション材の内部及びチョップドシートの繊維束間の隙間を移動していく。
このように、不連続繊維の束の積層嵩の違いに起因したチョップドシートの凹凸をクッション材で吸収することで繊維基材（プリフォーム）全体にほぼ均一な圧力がかかるようにできると共に、クッション材の弾性を利用して過密な積層部分を緩和し、又、過疎な積層部分をカバーすることで、FRPの成形品においてマトリックス樹脂が行き渡らなかったり、樹脂リッチになったりする現象を防止できる。
また、不連続繊維の束を積層して成るチョップドシートを用いることにより、繊維の織物を積層する場合と比較して流動性があるため賦形性に優れ、成形品にしわ等が生じにくく、また、端材が少ないという利点がある。

クッション材として不織布を用いることにすれば、クッション材の内部の流路（不織布を構成する繊維の隙間）が多数存在し、マトリックス樹脂の流動効率を向上させることができる。
また、クッション材を、上下二層に配置したチョップドシートの間に配置して繊維基材（プリフォーム）を構成することにすれば、同じ厚さの繊維基材（プリフォーム）を一層のみのチョップドシートで構成する場合と比較して軽量化及びコスト削減を図ることができる。

繊維基材の平面図(a)及び断面図（b） 繊維基材の変形例の断面図 繊維基材を用いたRTM成形によるFRPの成形方法を示す図(a)〜(c) 成形型内でのプリフォームの形状及びマトリックス樹脂の流れを示す断面図 実施例のCFRPの断面図(a)及び比較例のCFRPの断面図(b) 実施例のCFRPの表面を写した写真(a)及び比較例の写真(b) 実施例のCFRPの断面を写した写真(a)及び比較例の写真(b) 引張特性を示すグラフ(a)及び曲げ特性を示すグラフ(b)

本発明の繊維基材の実施の形態について説明する。
図1(a)及び(b)に示す繊維基材1はRTM成形によるFRPの成形に使用するものであり、チョップドシート10とクッション材20を備える。
チョップドシート10自体は周知のものを使用すればよく、以下、その構造及び製造方法の一例を説明する。
チョップドシート10は、平面内で繊維軸が一方向になるように配列し、粉末状のバインダーの付着した不連続繊維の束11を、その繊維軸方向がランダムになるように積層し、上記バインダーを加熱融着させて仮固定することで作製される。
繊維としては炭素繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、セルロース繊維、アラミド繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維のいずれか、又はこれらのうち二つ以上を組み合わせたものであってもよい。
不連続繊維の繊維軸方向の長さは例えば25〜50mm程度であり、繊維軸に直交する方向の長さは例えば15mm程度であり、繊維径は例えば7μm程度であるが、特に限定されるものではない。

不連続繊維の束11の製造方法としては、例えば、開繊した繊維束に粉末状のバインダー樹脂を熱溶融し付着させテープ形状とし、これを所定長さに切断する方法が挙げられるが、これに限定されない。
ここで開繊とは束になっている繊維を広げ、規則的に配列して薄くすることである。
不連続繊維の束11を構成する繊維の数は例えば12,000本程度であり、不連続繊維の束11の積層数は例えば10〜50層程度であるが、これに限定されない。
不連続繊維の束11をランダムに積層する方法としては、例えば、不連続繊維の束11を高所から自然落下させて堆積させる方法や、落下経路にエアーを吹き込んで気流を生じさせる方法や、作業者が手作業で積層する方法等が挙げられるが、これらに限定されない。上述のとおり、不連続繊維の束11を均一な厚さに積層することは困難なため、図1(b)に示すように積層嵩にばらつきが生じており、これによりチョップドシート10の表面に凹凸12が存在する。
不連続繊維の束11の積層体を仮固定させる方法としては、例えば、積層体に付着させたバインダーを加熱溶融し圧着する方法が挙げられる。
このようにして得られたチョップドシート10は、積層した各不連続繊維の束11の間に極微細な隙間が生じており、RTM成型の際には成形型100内でマトリックス樹脂がこの隙間を通過する。

クッション材20は樹脂透過性を有する材料から成る。
樹脂透過性とはマトリックス樹脂を通過させることができる性質を指す。クッション材20が樹脂透過性を有することで、マトリックス樹脂がクッション材20の内部を通過し、成形型100の隅々まで行き渡ることができる。
マトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂、ウレタン樹脂、ビニルエステル樹脂などの周知の熱硬化性樹脂が好ましいが、後重合型のポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂であってもよい。
クッション材20に樹脂透過性を持たせるには、クッション材20の表面又は裏面からその内部を通過して再び表面又は裏面にまで至る連続した流路を備えている必要がある。
このような流路を備えるクッション材20としては不織布が好ましいが、他にも例えばフェルト、編み物、綿、スポンジなどの三次元連続細孔を有する多孔質体などの公知の物質のいずれか、又はこれらのうち二つ以上を組み合わせたものであってもよい。これらを構成する繊維としては炭素繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、セルロース繊維、アラミド繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維のいずれか、又はこれらのうち二つ以上を組み合わせたものであってもよい。クッション材20として不織布を用いる場合は、不織布を構成する各繊維間の隙間が上記流路に該当する。
クッション材20はチョップドシート10の裏面側に配置される。図1(b)に示すように上下2層のチョップドシート10の間にクッション材20を配置する場合には、チョップドシート10の表面10aはCFRPの成形品の表面（意匠面）を構成するものであり、クッション材20はチョップドシート10の裏面10b側に配置される。なお、図2に示すようにクッション材20を1層のチョップドシート10とクッション材20で構成してもよい。

次に、本発明の繊維基材1を用いたRTM成形によるFRPの成形方法について説明する。なお、クッション材20として不織布を用いるものとする。また、繊維基材1は賦形型で賦形されることでプリフォーム30になっている。
図3(a)に示すように、成形型100の上型101は樹脂注入口102と吸引口103を備えており、下型104はキャビティ105の周囲にシール溝106を備えている。なお、成形型100の構造はこれに限らず他にも適宜選択可能である。
まず、上型101と下型104を所定の温度まで加熱した状態で、キャビティ105にプリフォーム30を配置する。
次に、図3(b)に示すように、上下の型を型締めし、樹脂タンク107に繋いだ樹脂注入経路108をバルブ109で閉鎖し、真空ポンプ110に連通する吸引経路111をバルブ112で開放する。これにより吸引経路111に通じる吸引口103を通してキャビティ105内を真空吸引する。
次に、バルブ112を閉じバルブ109を開放することで樹脂タンク107内のマトリックス樹脂を樹脂注入経路108を通して注入口に注入し、キャビティ105内に加圧注入する。

上述のとおり、チョップドシート10を構成する不連続繊維の束11の積層嵩にばらつきが生じており、表面に凹凸12が存在しているが、図4に示すように例えば上層のチョップドシート10はその上面が上型101に押し付けられているため、上面は凹凸12がほとんど無い平面に変形し、その分だけ下面に凹凸14が生じる。同様に下層のチョップドシート10はその下面が下型104に押し付けられているため、下面は凹凸12がほとんど無い平面に変形し、その分だけ上面に凹凸14が生じる。
本発明の繊維基材1はチョップドシート10の裏面側にクッション材20を備えているので、上層のチョップドシート10の下面の凹凸12と下層のチョップドシート10の上面の凹凸12はクッション材20の弾性変形によって吸収される。これによりプリフォーム30の中で極端に高圧又は低圧な部分がなくなる。

上述のとおり、積層した各不連続繊維の束11の間には極微細な隙間が生じているため、キャビティ105内に加圧注入されたマトリックス樹脂はこの隙間及びクッション材の内部を通過していく。
このように、不連続繊維の束11の積層嵩の違いに起因したチョップドシート10の凹凸12をクッション材20で吸収することで繊維基材1（プリフォーム30）全体にほぼ均一な圧力がかかるようにできると共に、クッション材20の弾性を利用してチョップドシートの過密な積層部分を緩和し、又、過疎な積層部分をカバーするので、CFRPの成形品においてマトリックス樹脂が行き渡らなかったり、樹脂リッチになったりする部分を無くすことができる。

マトリックス樹脂がキャビティ105全域に流動した状態で、樹脂圧（静圧）をかけてマトリックス樹脂をプリフォーム30に充分に含浸させる。そして、樹脂注入経路108のバルブ109を閉鎖して所定の時間の間、加熱状態を保持して樹脂を硬化させる。
その後、図3(c)に示すように上型101を上昇させ、下型104に残された成形品200を脱型する。
以上でFRPの成形が完了する。

HP-RTM成形により図5(a)に示す上下2層のチョップドシート10の間にクッション材20としての炭素繊維不織布を配置した炭素繊維基材を用いてCFRPを作製し、比較例として図5(b)に示す1層のチョップドシート10のみから成る炭素繊維基材を用いてCFRPを作製した。
チョップドシートの作製方法は下記の通りである。12,000本の炭素繊維から成る炭素繊維の糸を開繊したテープ（幅16mm）に紛末状バインダー（三菱化学製JER1004）を熱溶融により付着させた。これを長さ50mmにチョップしたものを平板状にランダムに散布積層し、100℃で加熱圧着により仮固定させて、チョップドシートを作製した。
また、上下2層のチョップドシートの間に炭素繊維不織布を配置して、100℃で加熱圧着させて一体化した。
HP-RTM成形は下記の通り実施した。マトリックス樹脂としてHP-RTM用の速硬化のエポキシ樹脂（ヘキシオン社製EPIKOTE Resin TRAC 06150 / EPIKURE Curing Agent TRAC 06150）を用いた。上記炭素繊維基材を内蔵し100℃に加熱した平板作製用の金型を3分間真空引きした後に加圧注入し、7分間保持して樹脂を硬化させた。その後脱型して成形品を取り出した。
図6(a)に示すように実施例のCFRPは表面に樹脂未含浸（フクレ）が見られなかった。一方、図6(b)中に矢印で示すように比較例のCFRPでは不連続繊維の束の積層嵩が過多の部分に樹脂未含浸（フクレ）が見られた。
図7(a)に示すように実施例のCFRPは樹脂リッチな部分が存在せず、CFRPの表面にチョップドシートが適切に配置し成形品の反りが発生しなかった。一方、図7(b)に示すように比較例のCFRPでは樹脂リッチ領域が存在し成形品の反りが発生した。
図8(a)に示すように実施例のCFRPの引張特性は比較例のCFRPと比較して低くなった。これは実施例のCFRPの繊維体積含有率VF(Fiber volume content)が35％で、比較例のVFが45％であることに起因すると推測できる。一方、図8(b)に示すように実施例のCFRPの曲げ特性は比較例のCFRPと同等であった。これは実施例のCFRPには樹脂リッチな部分が存在しないことに起因すると推測できる。

本発明は、RTMによるCFRPの成形に適しており、賦形性に優れ、マトリックス樹脂の未含浸や樹脂リッチを抑えることができる繊維基材及びプリフォームであり、産業上の利用可能性を有する。

1 繊維基材
10 チョップドシート
10a 表面
10b 裏面
11 不連続繊維の束
12 凹凸
13 バインダー
14 凹凸
20 クッション材
30 プリフォーム
100 成形型
101 上型
102 樹脂注入口
103 吸引口
104 下型
105 キャビティ
106 シール溝
107 樹脂タンク
108 樹脂注入経路
109 バルブ
110 真空ポンプ
111 吸引経路
112 バルブ
200 成形品

Claims (4)

1. RTM成形によるFRPの成形に使用する繊維基材において、
   開繊した繊維束から成り一方向に配列した不連続繊維の束が、その繊維方向がランダムになるように積層された状態で仮固定されて成るチョップドシートと、
   樹脂透過性を有するクッション材とを備えており、
   前記不連続繊維が炭素繊維であり、
   前記クッション材が前記チョップドシートの裏面側に配置され、RTM成形の際の成形型からの加圧によって弾性変形することで前記不連続繊維の束の積層嵩の違いに起因した前記チョップドシートの凹凸を吸収し、且つ前記クッション材の弾性を利用して過密な積層部分を緩和し、又、過疎な積層部分をカバーすることで、FRPの成形品においてマトリックス樹脂が行き渡らなかったり、樹脂リッチになったりする現象を防止することを特徴とする繊維基材。
2. 前記クッション材が不織布であることを特徴とする請求項1に記載の繊維基材。
3. 前記クッション材が、上下二層に配置された前記チョップドシートの間に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の繊維基材。
4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の繊維基材が賦形型によって所定形状に賦形されて成ることを特徴とするプリフォーム。

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