JP7281304B2

JP7281304B2 - 一方向性繊維強化複合材

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Publication number: JP7281304B2
Application number: JP2019035187A
Authority: JP
Inventors: 慎二平子; 英範深沢
Original assignee: Ube Exsymo Co Ltd
Current assignee: Ube Exsymo Co Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020138405A

Description

本発明は、マトリックス中に複数の連続繊維が一方向に配列された一方向性繊維強化複合材に関する。

補強材として連続繊維を用いた一方向性繊維強化複合材は、一般に、炭素繊維などの強化繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させることにより製造されている（特許文献１，２参照。）。例えば、特許文献１に記載の方法では、クロスヘッド金型内で強化繊維束の周囲をマトリックス樹脂で被覆した後、開繊して所定幅の繊維強化プラスチックテープを得ている。また、特許文献２に記載の繊維強化テープの製造方法では、複数の繊維が層状に配列された強化繊維束を用い、溶融したマトリックス樹脂が貯留されている浸漬ダイ内を通過させることで、強化繊維束を構成する単繊維間にマトリックス樹脂を含浸させている。

また、従来、一方向にテープ又はシート状に配列した複数の強化繊維と、同方向にテープ又はシート状に配列した複数の熱可塑性繊維とを積層し、加熱・加圧を行うことによりテープ又はシート状の繊維基材を得る方法も提案されている（特許文献３参照）。この特許文献３に記載の繊維基材は、強化繊維と熱可塑性繊維とが一方向に配列しており、繊維配列方向に垂直方向の断面における少なくとも積層界面において、強化繊維の単繊維と熱可塑性繊維の単繊維の断面が混合して分布し、熱可塑性繊維の少なくとも一部の断面が強化繊維の断面と断面との間を融着している。

特開２０１３－１０４０５６号公報国際公開第２０１５／０４６２９０号特開２０１５－０１７３４３号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されているような強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させる方法は、一方向性繊維強化複合材に複数の特性を付与することが難しく、また、使用する補強材の繊度や製造可能な複合材のサイズ・強度などが限定されるため、自由度も低い。一方、特許文献３に記載されている強化繊維と熱可塑性繊維をテープ又はシート状にして積層する方法は、高温・高圧で加工を行うため、分解温度が高く且つ温度劣化を起こしにくい強化繊維を用いる必要があり、汎用樹脂への適用が難しい。このような理由から、従来の一方向性繊維強化複合材は用途が限定され、汎用性に乏しいものであった。

そこで、本発明は、２以上の特性を有する一方向性繊維強化複合材を提供することを目的とする。

本発明に係る一方向性繊維強化複合材は、マトリックス中に複数の連続繊維が一方向に配列された一方向性繊維強化複合材であって、前記マトリックスは成分組成が異なる２種以上の樹脂組成物で構成されており、前記連続繊維の長手方向に垂直な断面にはマトリックスが一の樹脂組成物である領域とマトリックスが他の樹脂組成物である領域が相互に隣接して存在し、かつ、各樹脂組成物は前記連続繊維の長手方向に連続して存在しており、前記一の樹脂組成物及び前記他の樹脂組成物のいずれにも前記連続繊維が埋め込まれている。
前記連続繊維の長手方向に垂直な断面には、少なくとも幅方向において、前記マトリックスが一の樹脂組成物である領域と前記マトリックスが他の樹脂組成物である領域が相互に隣接して存在していてもよい。
この一方向性繊維強化複合材は、海成分中に複数の島成分が点在する海島断面構造を有し、少なくとも海成分の成分組成が相互に異なる２種以上の複合繊維を用いて形成することができ、その場合、前記マトリックスは各複合繊維の海成分により構成され、前記連続繊維は各複合繊維の島成分で構成される。
一方向性繊維強化複合材を形成する各複合繊維としては、例えば、前記海成分が熱可塑性樹脂組成物で構成され、前記島成分が前記海成分よりも融点が高い熱可塑性樹脂組成物で構成されているものを用いることができる。
本発明の一方向性繊維強化複合材の少なくとも一方の表面には、前記一の樹脂組成物と前記他の樹脂組成物との界面部分に、長手方向に連続して又は非連続で切り欠き若しくは切り込みが形成されていてもよい。
また、本発明の一方向性繊維強化複合材は、例えば、長尺シート又はテープである。

本発明によれば、成分組成が異なる２以上の樹脂組成物でマトリックスを構成しているため、一方向性繊維強化複合材に２以上の特性を付与することができる。

Ａ，Ｂは本発明の第１の実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す図であり、Ａは平面図であり、ＢはＡに示すｘ－ｘ線による拡大断面図である。図１に示す繊維強化複合材１を製造する方法を示す概念図である。Ａ，Ｂは繊維強化複合材１の製造に用いられる複合繊維の構造例を示す横断面図である。Ａ，Ｂは本発明の第２の実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す図であり、Ａは平面図であり、ＢはＡに示すｙ－ｙ線による拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係る繊維強化複合材について説明する。図１Ａ，Ｂは本実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す図であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは図１Ａに示すｘ－ｘ線による拡大断面図である。図１Ａ，Ｂに示すように、本実施形態の繊維強化複合材１は、マトリックス２中に連続繊維３が一方向に配列した状態で埋め込まれている一方向性繊維強化複合材である。

［マトリックス２］
マトリックス２は、成分組成が異なり、相互に異なる特性を示す２種以上の樹脂組成物２ａ，２ｂで構成されている。このように、特性が異なる複数の樹脂組成物でマトリックス２を構成することで、繊維強化複合材１に２以上の特性を付与することが可能となる。ここで、繊維強化複合材１に付与される（樹脂組成物２ａ，２ｂが有する）特性としては、色（多色化）、熱（難燃性・遅燃性）、香（消臭性・芳香性）、電気（導電性・非導電性・半導電性）、菌（抗菌性・殺菌性）、音（防音性・遮音性）、各種物性（質感・硬さ・靱性・スリップ性・タック性・耐薬品性・相溶性）などが挙げられる。

樹脂組成物２ａ，２ｂには、目的とする特性を有する機能性樹脂を用いてもよいが、別途目的とする特性を有する材料を樹脂に配合することもできる。特性付与のために樹脂に配合される材料としては、例えば、色素、顔料、消臭剤、芳香剤、抗菌剤、殺菌剤、遮音材料、吸音材料、導電材料などがある。

繊維強化複合材１に付与される２以上の特性は、特に限定されるものではなく、相反する特性及び同種の特性のいずれでもよい。例えば、樹脂組成物２ａ，２ｂに相互に異なる色の顔料を配合すれば、多色の繊維強化複合材１が得られる。また、樹脂組成物２ａに消臭剤を配合すると共に樹脂組成物２ｂに殺菌剤を配合すれば、繊維強化複合材１に消臭機能と殺菌機能を付与することができる。

更に、樹脂組成物２ａ，２ｂに、それぞれ難燃性又は遅燃性と可燃性、吸水性と吸油性、撥水性と撥油性のように相反する特性を付与してもよい。これにより、異なる性能を混合したときに、一方又は両方の性能が高められる対比効果や相乗効果、或いは、一方又は両方の性能が弱められる抑制効果などを得ることができる。例えば、熱膨張性を有する樹脂組成物と負の熱膨張性（熱収縮性）を有する樹脂組成物を組み合わせると、熱変形し難い繊維強化複合材１が得られる。

樹脂組成物２ａ，２ｂを構成する樹脂は、特に限定されるものではないが、加工性の観点から熱可塑性樹脂が好ましく、その中でも比較的低温で成形できるポリオレフィン系樹脂が好ましい。具体的には、樹脂組成物２ａ，２ｂには、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン及びエチレン酢酸ビニルなどのエチレン系樹脂、エチレン及びブテンなどのαオレフィンとプロピレンとの２元系又は３元系共重合体であるランダム又はブロック共重合ポリプロピレンなどを用いることができる。これらのポリオレフィン系樹脂の中でも、特に、融点が明確で温度に対してシャープな溶融挙動を示すことから、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン及び高密度ポリエチレンが好適である。

本実施形態の繊維強化複合材１では、前述した各樹脂組成物２ａ，２ｂが、例えば、図１Ｂに示す連続繊維３の長手方向Ｌに垂直な断面においては相互に隣接して存在し、連続繊維３の長手方向Ｌにおいては連続して存在するよう配置されている。なお、図１Ｂでは、樹脂組成物２ａと樹脂組成物２ｂとが幅方向に交互に配置されている例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、成分組成が異なり相互に異なる特性を示す２種以上の樹脂組成物が、厚さ方向に積層されていてもよく、また、例えば市松模様状のように幅方向及び厚さ方向の両方で交互に又は特定の繰り返しパターンで配置されていてもよい。

［連続繊維３］
連続繊維３は、補強材であり、例えばポリエステル繊維などの合成繊維の他、木綿などの天然繊維、スチール繊維などの金属繊維、ガラス繊維、炭素繊維、石墨繊維及びセラミック繊維などを用いることができ、その材質は特に限定されるものではない。また、本実施形態の繊維強化複合材１には、種類や特性が異なる数種の連続繊維３を用いることもできる。

本実施形態の繊維強化複合材１に用いる連続繊維３としては、前述した各種繊維状強化材の中でも、特に、製造上の観点から合成繊維が好ましい。その場合、製造安定性の観点から、繊維強化複合材１に用いる合成繊維は、樹脂組成物２ａ，２ｂ（マトリックス２）よりも融点が２０℃以上高いものを用いることが好ましい。例えば、樹脂組成物２ａ，２ｂとしてポリオレフィン系樹脂を用いた場合、連続繊維３としては、ポリオレフィン系繊維、アラミド繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維及びレーヨンなどを用いることができる。

［形態］
本実施形態の繊維強化複合材１は、例えば、厚さｔが５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の長尺シート又はテープである。本実施形態の繊維強化複合材１の幅ｗ及び長さは、特に限定されるものではなく、用途や目的に応じて適宜設定することができる。

［製造方法］
次に、本実施形態の繊維強化複合材１の製造方法について説明する。図２は本実施形態の繊維強化複合材１を製造する方法を示す概念図であり、図３Ａ、Ｂは図２に示す方法で製造する際に用いられる複合繊維の構造例を示す横断面図である。

本実施形態の繊維強化複合材１は、例えば、複数の押出機を用いて特性が異なる２種以上の複合繊維４ａ，４ｂを作製し、これらを一体化することで製造することができる。具体的には、複合繊維４ａが円筒状に巻き取られたロービング５ａと、複合繊維４ｂが円筒状に巻き取られたロービング５ａをボビンスタンドに配置し、複合繊維４ａと複合繊維４ｂとが交互に配列されるように巻き出す。巻き出された複合繊維４ａ，４ｂを、スリット６により収束させた後、加熱ローラー７により加圧しながら加熱してテープ状に成形し、巻き取りローラー８で巻き取る。

（複合繊維４ａ，４ｂ）
本実施形態の繊維強化複合材１に用いられる複合繊維４ａ，４ｂは、図３Ａ，Ｂに示すような海成分１２中に複数の島１３成分が点在する海島断面構造を有し、少なくとも海成分１２の成分組成が相互に異なるものであればよい。この海島断面構造の複合繊維４ａ，４ｂを用いて製造された繊維強化複合材１は、各複合繊維４ａ，４ｂの島成分１３により連続繊維３が構成される。また、繊維強化複合材１のマトリックス２は、各複合繊維４ａ，４ｂの海成分１２により構成されるため、成分組成が異なる２種以上の樹脂組成物で構成されることとなる。

複合繊維４ａ，４ｂにおける島成分１３と海成分１２の断面積比率は、繊維強化複合材１形成時に複合繊維４ａ，４ｂ同士の接着力を確保すると共に、各連続繊維３の強度を確保するため、島成分／海成分＝２０／８０～８０／２０であることが好ましい。なお、繊維強化複合材１に用いられる複合繊維４ａ，４ｂは、図３Ａに示す断面が円形状のものに限らず、図３Ｂに示す断面が扁平楕円形状のものを用いることができる。また、複合繊維４ａ，４ｂは、製造安定性の観点から、海成分１２を熱可塑性樹脂組成物とし、島成分１３を海成分１２よりも融点が２０℃以上高い熱可塑性樹脂組成物とすることが好ましい。

以上詳述したように、本実施形態の繊維強化複合材は、成分組成が異なり、特性が異なる２種以上の樹脂組成物によりマトリックスを形成し、連続繊維の長手方向に垂直な断面には一の樹脂組成物からなる領域と他の樹脂組成物からなる領域が相互に隣接して存在し、かつ、各樹脂組成物が連続繊維３の長手方向に連続して存在するようにしているため、一方向性繊維強化複合材に２以上の特性を付与することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る繊維強化複合材について説明する。図４Ａ，Ｂは本実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す図であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは図４Ａに示すｙ－ｙ線による拡大断面図である。なお、図４Ａ，Ｂに示す繊維強化複合材では、図１Ａ，Ｂに示す繊維強化複合材１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４Ａ，Ｂに示すように、本実施形態の繊維強化複合材１０は、少なくとも一方の表面における一の樹脂組成物２ａと他の樹脂組成物２ｂとの界面部分に、長手方向Ｌに連続して又は非連続で切り欠き１１若しくは切り込みが形成されている。本実施形態の繊維強化複合材１０の表面に形成される切り欠き及び切り込みの形状は、特に限定されるものではなく、特性（樹脂組成物２ａ，２ｂ）毎に分離・分割可能な形状であればよい。

具体的には、穴、Ｕ字状やＶ字状の溝、段付き溝、ミシン目などを適用することができるが、引き裂き強度と分割の容易さを両立させる点から直線溝状が好ましい。このような切り欠き及び切り込みは、例えば溝ローラーやプレス型を用いて賦形することができる。

また、繊維強化複合材１０が作業中に意図せぬ場所で分割してしまうことを防ぐため、切り欠き及び切り込みの深さは、切り欠きや切り込みが形成されていない部分の厚さに対して、０．１～０．６の範囲にすることが好ましく、分割もしくは引き裂きの容易さとテープの強度のバランスの面から０．２～０．４の範囲にすることがより好ましい。

以上詳述したように、本実施形態の繊維強化複合材は、一の樹脂組成物２ａと他の樹脂組成物２ｂとの界面部分に切り欠き又は切り込みを設けているため、容易に特性毎に分割や細分化することができる。なお、本実施形態の繊維強化複合材における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。

以下、本発明を実施例によって、より具体的に説明する。

＜実施例１＞
本発明の実施例１として、図３Ｂに示す構造の複合繊維を用いて、図２に示す方法で、図１に示す第１の実施形態の一方向性繊維強化複合材１を作製した。先ず、島成分１３がポリプロピレン、海成分１２が高密度ポリエチレンで構成され、各成分の断面積比率が島成分：海成分＝６５：３５で、繊度が１８５０ｄｔｅｘであり、白色に着色されている複合繊維４ａのロービング５ａと、赤色に着色されている以外は複合繊維４ａと同じである複合繊維４ｂのロービング５ｂを準備し、ボビンスタンドに配置した。

そして、白色に着色されている複合繊維４ａを８本、赤色に着色された複合繊維４ｂを７本、それぞれボビンスタンドから繰出し、複合繊維４ａと複合繊維４ｂとを交互に配列し、櫛状のスリット６を通過させて収束させた。次に、複合繊維束４ａ，４ｂを、線速２．８ｍ／分で引取りながら、１３０℃に加熱した加熱ローラー７を用いて線圧５ｋｇ／ｍ^２の条件で加圧しながら融着させた後、冷却固化させることにより、厚さ（５点の平均値）０．４ｍｍの一方向性繊維強化テープを得た。この実施例１の一方向性繊維強化テープは、赤色と白色の２つの色を有していた。

＜実施例２＞
本発明の実施例２として、難燃性を付与した複合繊維４ａと可燃性の複合繊維４ｂを用いて、実施例１と同様の方法及び条件で、難燃性と可燃性の２つの特性を有する一方向性繊維強化テープを作製した。その際、複合繊維４ａには、図３Ｂに示す複合繊維のように断面が扁平楕円形状で、島成分１３がポリプロピレン、海成分１２が東京インキ株式会社製難燃性高密度ポリエチレンＭＢＰＥＸＦＲ－０１８７ＡＬで形成され、各成分の断面積比率が島成分：海成分＝６５：３５であり、繊度が１８５０ｄｔｅｘのものを用いた。また、複合繊維４ｂには、複合繊維４ａと同様に断面が扁平楕円形状で、島成分１３がポリプロピレン、海成分１２が高密度ポリエチレンで形成され、各成分の断面積比率が島成分：海成分＝６５：３５であり、繊度が１８５０ｄｔｅｘのものを用いた。

そして、難燃性を付与した複合繊維４ａを８本、可燃性の複合繊維４ｂを７本、それぞれボビンスタンドから繰出し、複合繊維４ａと複合繊維４ｂとを交互に配列し、櫛状のスリット６を通過させて収束させた。次に、複合繊維束４ａ，４ｂを、線速２．８ｍ／分で引取りながら、１３０℃に加熱した加熱ローラー７を用いて線圧５ｋｇ／ｍ^２の条件で加圧しながら融着させた後、冷却固化させることにより、厚さ（５点の平均値）０．４ｍｍの一方向性繊維強化テープを得た。

＜実施例３＞
本発明の実施例３として、図４に示す第２の実施形態の一方向性繊維強化複合材１０を作製した。具体的には、実施例１で作製した繊維強化複合材の一方の面に、断面が略三角形状で高さが０．１ｍｍの突起を有する加熱引き取りローラーを用いて、深さが０．１ｍｍで長手方向に連続するＶ字状の溝を形成し、実施例３の一方向性繊維強化テープとした。各溝は、複合繊維４ａの海成分１２に由来する樹脂組成物２ａと、複合繊維４ｂの海成分１２に由来する樹脂組成物２ｂとの界面部分に形成した。

次に、この実施例３の一方向性繊維強化テープから長さ５０ｍｍの評価用試料を１０本切り出し、各試料の両端から７ｍｍの位置をチャックした後、万能試験機を用いて２０ｍｍ／分の速度で引き裂き試験を行った。その結果、実施例３の一方向性繊維強化テープは、１０本中８本の評価用試料で、連続繊維３を切断することなく特性（色）毎に分割することができた。

＜実施例４＞
本発明の実施例４として、溝付き熱ローラーを用いた以外は前述した実施例１と同様の方法及び条件で、厚さ０．４ｍｍ（５点の平均値）の一方向性繊維強化テープを作製した。この実施例４の一方向性繊維強化テープの両面には、複合繊維４ａの海成分１２に由来する樹脂組成物２ａと複合繊維４ｂの海成分１２に由来する樹脂組成物２ｂとの界面部分に、深さが０．０５ｍｍで、長手方向に連続するＶ字状の溝が形成されていた。

次に、この実施例４の一方向性繊維強化テープから、長さ５０ｍｍの評価用試料を１０本切り出し、実施例３と同様の方法で評価した。その結果、実施例４の一方向性繊維強化テープでは、評価用試料１０本の全てについて連続繊維３を切断することなく特性（色）毎に分割することができた。

以上の結果から、本発明によれば、一方向性繊維強化材に２以上の特性を付与することができ、更に樹脂組成物の界面に溝などの切り欠き又は切込みを形成することで、特性毎に繊維強化材を分割することが可能となることが確認された。

１、１０繊維強化複合材
２マトリックス
２ａ、２ｂ樹脂組成物
３連続繊維
４ａ、４ｂ複合繊維
５ａ、５ｂロービング
６スリット
７加熱ローラー
８巻き取りローラー
１１切り欠き
１２海成分
１３島成分

Claims

マトリックス中に複数の連続繊維が一方向に配列された一方向性繊維強化複合材であって、
前記マトリックスは成分組成が異なる２種以上の樹脂組成物で構成されており、前記連続繊維の長手方向に垂直な断面にはマトリックスが一の樹脂組成物である領域とマトリックスが他の樹脂組成物である領域が相互に隣接して存在し、かつ、各樹脂組成物は前記連続繊維の長手方向に連続して存在しており、
前記一の樹脂組成物及び前記他の樹脂組成物のいずれにも前記連続繊維が埋め込まれている一方向性繊維強化複合材。
前記連続繊維の長手方向に垂直な断面には、少なくとも幅方向において、前記マトリックスが一の樹脂組成物である領域と前記マトリックスが他の樹脂組成物である領域が相互に隣接して存在している請求項１に記載の一方向性繊維強化複合材。
海成分中に複数の島成分が点在する海島断面構造を有し、少なくとも海成分の成分組成が相互に異なる２種以上の複合繊維を用いて形成されたものであり、
前記マトリックスは各複合繊維の海成分により構成され、前記連続繊維は各複合繊維の島成分により構成されている請求項１又は２に記載の一方向性繊維強化複合材。
前記海成分は熱可塑性樹脂組成物であり、前記島成分は前記海成分よりも融点が高い熱可塑性樹脂組成物である請求項３に記載の一方向性繊維強化複合材。
少なくとも一方の表面には、前記一の樹脂組成物と前記他の樹脂組成物との界面部分に、長手方向に連続して又は非連続で切り欠き若しくは切り込みが形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の一方向性繊維強化複合材。
長尺シート又はテープである請求項１～５のいずれか１項に記載の一方向性繊維強化複合材。