JP7519891B2 - Thermoplastic resin film, prepreg, and prepreg laminate - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維に含浸させて、熱可塑性炭素繊維強化樹脂の中間材料であるプリプレグを形成するための熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、およびこれを用いたプリプレグ積層体に関する。 The present invention relates to a thermoplastic resin film for impregnating carbon fiber to form a prepreg, which is an intermediate material for thermoplastic carbon fiber reinforced resin, a prepreg, and a prepreg laminate using the same.

炭素繊維強化樹脂は、軽量で優れた強度、および高い耐久性などの特性から、自動車、航空機、土木仮設資材など幅広い分野で利用されている。炭素繊維強化樹脂としては、含浸させる樹脂の性質の違いにより、熱硬化性炭素繊維強化樹脂と、熱可塑性炭素繊維強化樹脂とがある。このうち、熱可塑性炭素繊維強化樹脂は、成形時間が短く、また加熱によってリサイクル利用が可能であるといった利点から、特に自動車用の材料として用いられている。 Carbon fiber reinforced resin is used in a wide range of fields, including automobiles, aircraft, and civil engineering temporary construction materials, due to its characteristics of light weight, excellent strength, and high durability. Carbon fiber reinforced resin is classified into thermosetting carbon fiber reinforced resin and thermoplastic carbon fiber reinforced resin, depending on the properties of the resin used for impregnation. Of these, thermoplastic carbon fiber reinforced resin is used particularly as a material for automobiles, due to its advantages of short molding time and recyclability by heating.

熱可塑性炭素繊維強化樹脂は、中間材料であるプリプレグを用いて製造される。プリプレグは、炭素繊維のトウ(束)を開繊して、熱可塑性樹脂を炭素繊維に含浸させることによって得られ、プリプレグの中でも、炭素繊維のトウ(束)を開繊して一方向に整列させたものを、一方向(UD)プリプレグという。 Thermoplastic carbon fiber reinforced resin is manufactured using prepreg, an intermediate material. Prepreg is obtained by opening carbon fiber tows (bundles) and impregnating the carbon fibers with thermoplastic resin, and among prepregs, those in which carbon fiber tows (bundles) are opened and aligned in one direction are called unidirectional (UD) prepregs.

ここで、従来のプリプレグにおいては、熱可塑性樹脂の炭素繊維のサイジング剤成分に対する濡れ性が乏しいため、炭素繊維と熱可塑性樹脂との接着性不良に起因して空隙が生じ、強度が低下してしまうという問題があった。 However, in conventional prepregs, the thermoplastic resin has poor wettability with the sizing agent components of the carbon fibers, which causes poor adhesion between the carbon fibers and the thermoplastic resin, resulting in voids and reduced strength.

そこで、例えば、2枚の熱可塑性樹脂フィルムの間に炭素繊維を挟み込んだ積層体に対して熱プレス(加熱加圧処理)を行い、加熱複合化を行った後、電子線を照射することに製造されるプリプレグが提案されている。そして、このような構成により、機械的強度に優れたプリプレグを得ることができると記載されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, for example, a prepreg has been proposed that is manufactured by subjecting a laminate in which carbon fibers are sandwiched between two thermoplastic resin films to a heat press (heat and pressure treatment), heat compounding, and then irradiating the laminate with an electron beam. It is described that such a configuration makes it possible to obtain a prepreg with excellent mechanical strength (see, for example, Patent Document 1).

また、pHが2~4で、1モル/L水溶液のpHが1以下の無機酸と、1モル/L水溶液のpHが6~8の無機塩類とを含む水溶液中で電解酸化された、炭素繊維強化樹脂用の炭素繊維が提案されている。そして、このような構成により、炭素繊維の力学的物性のバラツキ及び繊維表面構造のバラツキを低減させて、炭素繊維と樹脂との接着強さを均一にすることができると記載されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, carbon fibers for carbon fiber reinforced resin have been proposed that are electrolytically oxidized in an aqueous solution having a pH of 2 to 4 and containing an inorganic acid with a pH of 1 or less in 1 mol/L aqueous solution and an inorganic salt with a pH of 6 to 8 in 1 mol/L aqueous solution. It is described that this composition reduces the variation in the mechanical properties of the carbon fibers and the variation in the fiber surface structure, and makes it possible to uniform the adhesive strength between the carbon fibers and the resin (see, for example, Patent Document 2).

特開2010-58286号公報JP 2010-58286 A 特開2011-202297号公報JP 2011-202297 A

しかし、上記特許文献1に記載のプリプレグにおいては、電子線の照射後、持続的に効果を得ることができず、時間の経過とともに、機械的強度が低下するという問題があった。 However, the prepreg described in Patent Document 1 above had the problem that the effect could not be sustained after irradiation with electron beams, and the mechanical strength decreased over time.

また、同様に、上記特許文献2に記載の炭素繊維おいては、電解酸化処理後、持続的に効果を得ることができず、時間の経過とともに、炭素繊維と樹脂の接着性が低下するという問題があった。 Similarly, with the carbon fiber described in Patent Document 2, the electrolytic oxidation treatment was not effective for a sustained period of time, and there was a problem in that the adhesion between the carbon fiber and the resin decreased over time.

そこで、本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、空隙率が低く、長期にわたって強度に優れるプリプレグ積層体を得ることができる、炭素繊維との接着性が高い熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、およびこれを用いたプリプレグ積層体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a thermoplastic resin film, a prepreg, and a prepreg laminate using the same that have high adhesion to carbon fibers and can produce a prepreg laminate with low porosity and excellent strength over a long period of time.

上記目的を達成するために、本発明の熱可塑性樹脂フィルムは、炭素繊維に含浸させてプリプレグを形成するための熱可塑性樹脂フィルムであって、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が6%以上35%以下であることを特徴とする。 To achieve the above object, the thermoplastic resin film of the present invention is a thermoplastic resin film for impregnating carbon fibers to form a prepreg, and is characterized in that the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is 6% or more and 35% or less.

本発明によれば、空隙率が低く、長期にわたって強度に優れるプリプレグ積層体を得ることができる、炭素繊維との接着性が高い熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、およびこれを用いたプリプレグ積層体を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a thermoplastic resin film and prepreg that have high adhesion to carbon fibers, and can produce a prepreg laminate with low porosity and excellent strength over a long period of time, as well as a prepreg laminate using the same.

本発明の実施形態に係るプリプレグの製造方法の一例を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an example of a method for producing a prepreg according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るプリプレグの製造方法の他の一例を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining another example of the method for producing a prepreg according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明について具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して適用することができる。 The present invention will be described in detail below. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified as appropriate within the scope of the present invention.

<熱可塑性樹脂フィルム>
本発明の熱可塑性樹脂フィルムは、シート状の連続炭素繊維の一面および他面にそれぞれ配置して、または、シート状の連続炭素繊維を本発明の熱可塑性樹脂フィルムの一面および他面にそれぞれ配置して、後述のフィルムスタッキング法により、炭素繊維に含浸させて、プリプレグを形成するための樹脂フィルムである。
<Thermoplastic resin film>
The thermoplastic resin film of the present invention is a resin film for forming a prepreg by placing it on one side and the other side of a sheet-like continuous carbon fiber, or by placing sheet-like continuous carbon fiber on one side and the other side of the thermoplastic resin film of the present invention and impregnating the carbon fiber by a film stacking method described later.

この熱可塑性樹脂フィルムとしては、例えば、ポリカーボネート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂等により形成されたフィルムが挙げられる。 Examples of such thermoplastic resin films include films made of polycarbonate resin, phenoxy resin, polyester resin such as polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide resin, polysulfone resin, polyether ether ketone resin, polyimide resin, polystyrene resin, ABS resin, etc.

このうち、熱硬化性樹脂に比べて耐衝撃性、耐熱特性、及びリサイクル性に優れ、低コストであるポリカーボネート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリブチレンテレフタレート、及びポリフェニレンサルファイド樹脂を使用することが好ましい。 Of these, it is preferable to use polycarbonate resin, phenoxy resin, polybutylene terephthalate, and polyphenylene sulfide resin, which have superior impact resistance, heat resistance, and recyclability compared to thermosetting resins, and are low cost.

また、熱可塑性樹脂フィルムの厚さは、10~100μmが好ましく、15~30μmがより好ましい。熱可塑性樹脂フィルムの厚さが10μm以上であれば、プリプレグにおいて、炭素繊維に対して樹脂成分が不足することに起因する含浸不良(炭素繊維間における空隙の発生)を防止することができる。また、熱可塑性樹脂フィルムの厚さが100μm以下であれば、プリプレグにおいて、過剰な樹脂成分に起因する炭素繊維の体積含有率(Vf値)の低下を防止することができるため、プリプレグ積層体にした時の強度の低下を防止することができる。 The thickness of the thermoplastic resin film is preferably 10 to 100 μm, and more preferably 15 to 30 μm. If the thickness of the thermoplastic resin film is 10 μm or more, impregnation failure (occurrence of voids between carbon fibers) caused by a lack of resin components relative to the carbon fibers in the prepreg can be prevented. If the thickness of the thermoplastic resin film is 100 μm or less, a decrease in the volume fraction (Vf value) of carbon fibers caused by excess resin components in the prepreg can be prevented, and therefore a decrease in strength when made into a prepreg laminate can be prevented.

なお、ここでいう「体積含有率(Vf値)」は、JIS K 7075(炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率および空洞率試験方法)の燃焼法に準拠して測定されたものをいう。 The "volume content (Vf value)" referred to here is measured in accordance with the combustion method of JIS K 7075 (Test method for fiber content and void content of carbon fiber reinforced plastics).

また、本発明の熱可塑性樹脂フィルムは、表面自由エネルギーが30mJ/m以上60mJ/m以下であることが好ましい。表面自由エネルギーが30mJ/m未満の場合は、炭素繊維との接着性が著しく低下し、高強度のプリプレグを製造できないという不都合が生じる場合がある。また、表面自由エネルギーが60mJ/mよりも大きい場合は、熱可塑性樹脂フィルムの巻き送りができないほどブロッキングする場合があるため、フィルム化が困難になる場合がある。 In addition, the thermoplastic resin film of the present invention preferably has a surface free energy of 30 mJ/ m2 or more and 60 mJ/ m2 or less. If the surface free energy is less than 30 mJ/ m2 , the adhesion to the carbon fiber may be significantly reduced, and a high-strength prepreg may not be produced. If the surface free energy is greater than 60 mJ/ m2 , blocking may occur to the extent that the thermoplastic resin film cannot be wound up, making it difficult to form the film.

なお、この「表面自由エネルギー」は、後述の実施例において記載した方法で求めることができる。 This "surface free energy" can be determined using the method described in the examples below.

ここで、本発明者らは、プリプレグにおいて、熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維の接着性が向上するための条件を検討したところ、熱可塑性樹脂フィルムにおいて、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合を制御することにより、熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維のサイジング剤成分との相溶性が向上することを見出した。 Here, the inventors have investigated conditions for improving the adhesion between a thermoplastic resin film and carbon fibers in a prepreg, and have found that by controlling the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy of the thermoplastic resin film, the compatibility between the thermoplastic resin film and the sizing agent components of the carbon fibers is improved.

より具体的には、本発明の熱可塑性樹脂フィルムにおいては、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が6%以上35%以下であることが重要である。水素結合成分の割合が6%以上35%以下であれば、熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維のサイジング剤成分との相溶性が向上し、プリプレグにおいて熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維の接着性が向上するため、プリプレグ積層体における空隙率を低下させることが可能になる。その結果、空隙の周辺に発生する応力集中を緩和させることができるため、プリプレグ積層体の強度を長期にわたって向上させることが可能になる。 More specifically, in the thermoplastic resin film of the present invention, it is important that the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is 6% or more and 35% or less. If the ratio of hydrogen bonding components is 6% or more and 35% or less, the compatibility between the thermoplastic resin film and the sizing agent components of the carbon fiber is improved, and the adhesion between the thermoplastic resin film and the carbon fiber in the prepreg is improved, making it possible to reduce the void ratio in the prepreg laminate. As a result, the stress concentration occurring around the voids can be alleviated, making it possible to improve the strength of the prepreg laminate over the long term.

なお、ここで言う「空隙率」とは、プリプレグ積層体において、熱可塑性樹脂が未含浸である部分の体積比率のことをいい、JIS K 7075(炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率および空洞率試験方法)の燃焼法に準拠して測定したものをいう。 The term "void ratio" used here refers to the volume ratio of the portion of the prepreg laminate that is not impregnated with thermoplastic resin, measured in accordance with the combustion method of JIS K 7075 (Test method for fiber content and void ratio of carbon fiber reinforced plastics).

また、熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維の接着性が向上するため、プリプレグおよびプリプレグ積層体の表面における繊維の羽立が抑制され、外観や触感に優れたプリプレグおよびプリプレグ積層体を提供することができる。 In addition, because the adhesion between the thermoplastic resin film and the carbon fiber is improved, fiber feathering on the surface of the prepreg and prepreg laminate is suppressed, making it possible to provide a prepreg and prepreg laminate with excellent appearance and feel.

なお、プリプレグ積層体における空隙率をより一層低下させるとの観点から、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合は10%以上30%以下が好ましい。 In order to further reduce the void ratio in the prepreg laminate, the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is preferably 10% or more and 30% or less.

また、水素結合成分量としては、3.0mJ/m以上20mJ/m以下が好ましく、4.0mJ/m以上18mJ/m以下がより好ましい。 The amount of hydrogen bonding components is preferably 3.0 mJ/m 2 or more and 20 mJ/m 2 or less, and more preferably 4.0 mJ/m 2 or more and 18 mJ/m 2 or less.

このように、本発明の熱可塑性樹脂フィルムを使用することにより、空隙率が低く、長期にわたって強度に優れるプリプレグ積層体を得ることができる。 In this way, by using the thermoplastic resin film of the present invention, a prepreg laminate with low porosity and excellent strength over a long period of time can be obtained.

また、本発明の熱可塑性樹脂フィルムにおいては、フィルムの機械軸(長手)方向(以下、「MD」という。)と直交する方向(以下、「TD」という。)において、熱可塑性樹脂の融点付近の加熱温度で2分間加熱した場合の加熱収縮率が7.0%未満であることが好ましく、5.0%未満であることがより好ましく、3.0%未満であることがさらに好ましい。TDにおける加熱収縮率が7.0%未満の場合は、後述のフィルムスタッキング法によりプリプレグを製造する際に、熱可塑性樹脂フィルムのTDにおける熱収縮(ネックイン)が発生しないため、炭素繊維がプリプレグの中央部に寄ることを防止することができる。従って、面内で均一な特性を有するプリプレグを実現することができる。 In addition, in the thermoplastic resin film of the present invention, the heat shrinkage rate in the direction perpendicular to the mechanical axis (longitudinal) direction (hereinafter referred to as "MD") of the film when heated for 2 minutes at a heating temperature near the melting point of the thermoplastic resin is preferably less than 7.0%, more preferably less than 5.0%, and even more preferably less than 3.0%. If the heat shrinkage rate in TD is less than 7.0%, when producing a prepreg by the film stacking method described below, no heat shrinkage (neck-in) occurs in the TD of the thermoplastic resin film, and therefore the carbon fibers can be prevented from moving to the center of the prepreg. Therefore, a prepreg with uniform properties in the plane can be realized.

なお、上記「熱収縮率」は、後述の実施例において記載した方法で求めることができる。 The above "thermal shrinkage rate" can be determined by the method described in the examples below.

また、本発明の熱可塑性樹脂フィルムには、熱可塑性樹脂フィルムの特性を損なわない範囲において、上述の熱可塑性樹脂以外に、帯電防止剤や難燃剤、相溶化剤が含有されていてもよい。 In addition, the thermoplastic resin film of the present invention may contain, in addition to the above-mentioned thermoplastic resin, an antistatic agent, a flame retardant, and a compatibilizer, as long as the properties of the thermoplastic resin film are not impaired.

この帯電防止剤としては、親水基を有する有機系帯電防止剤が使用でき、低分子型の導電性モノマー(界面活性剤)や高分子型の導電性ポリマーが挙げられる。また、低分子型の導電性モノマーとしては、非イオン、アニオン、カチオン、及び両性タイプが挙げられ、高分子型の導電性ポリマーとしては、ポリエーテルやイオン電導性ポリマーが挙げられる。 As the antistatic agent, an organic antistatic agent having a hydrophilic group can be used, and examples of such antistatic agents include low molecular weight conductive monomers (surfactants) and high molecular weight conductive polymers. Examples of low molecular weight conductive monomers include nonionic, anionic, cationic, and amphoteric types, and examples of high molecular weight conductive polymers include polyethers and ion conductive polymers.

なお、熱可塑性樹脂フィルムの水素結合成分量を増加させるとの観点から、低分子型の導電性モノマーを使用することが好ましい。低分子型の導電性モノマーとしては、例えば、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル等の多価アルコール脂肪酸エステル、塩化アルキルトリメチルアンモニウム等の第四級アンモニウム塩、及びアルカンスルホン酸ナトリウム等のスルホン酸系化合物が挙げられる。なお、これらの帯電防止剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 From the viewpoint of increasing the amount of hydrogen bonding components in the thermoplastic resin film, it is preferable to use a low molecular weight conductive monomer. Examples of low molecular weight conductive monomers include polyhydric alcohol fatty acid esters such as sorbitan fatty acid esters, sucrose fatty acid esters, and glycerin fatty acid esters, quaternary ammonium salts such as alkyltrimethylammonium chloride, and sulfonic acid compounds such as sodium alkanesulfonate. These antistatic agents may be used alone or in combination of two or more.

そして、親水基を有する有機系帯電防止剤を使用することにより、熱可塑性樹脂フィルムの水素結合成分量が増加するため、非常に高い極性を有する炭素繊維のサイジング剤成分との相溶性が向上し、結果として、プリプレグにおいて熱可塑性樹脂フィルムと炭素繊維の接着性が向上することになる。 The use of an organic antistatic agent with a hydrophilic group increases the amount of hydrogen bonding components in the thermoplastic resin film, improving compatibility with the sizing agent components of the carbon fiber, which has a very high polarity, and as a result, improving adhesion between the thermoplastic resin film and the carbon fiber in the prepreg.

また、帯電防止剤を使用する場合、フィルム表面の親水化効果およびフィルム成型性を向上させるとの観点から、熱可塑性樹脂フィルム全体に対する帯電防止剤の含有量は、熱可塑性樹脂フィルム100質量%のうち、0.1~20質量%が好ましく、0.5~10質量%がより好ましい。 When an antistatic agent is used, the content of the antistatic agent in the entire thermoplastic resin film is preferably 0.1 to 20% by mass, and more preferably 0.5 to 10% by mass, based on 100% by mass of the thermoplastic resin film, from the viewpoint of improving the hydrophilic effect of the film surface and the film moldability.

また、難燃剤としては、リン系化合物、シリコン系化合物、金属水酸化物、スルホン酸金属塩、メラミン化合物、及びフッ素系樹脂等が使用できる。より具体的には、例えば、リン系化合物としては、環状ホスファゼンや共重合型リン系化合物等が挙げられ、スルホン酸金属塩としては、ノナフルオロブタンスルホン酸カリウム等が挙げられる。なお、これらの難燃剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Flamme retardants that can be used include phosphorus compounds, silicon compounds, metal hydroxides, metal sulfonates, melamine compounds, and fluorine resins. More specifically, phosphorus compounds include cyclic phosphazenes and copolymerized phosphorus compounds, and metal sulfonates include potassium nonafluorobutanesulfonate. These flame retardants may be used alone or in combination of two or more.

そして、本発明においては、このような難燃剤を使用することにより、熱可塑性樹脂フィルムの難燃性を向上することができる。 In the present invention, the flame retardancy of the thermoplastic resin film can be improved by using such a flame retardant.

また、難燃剤を使用する場合、熱可塑性樹脂フィルムを所望の厚み(例えば、20μm)で製膜するとの観点から、熱可塑性樹脂フィルム全体に対する難燃剤の含有量は、熱可塑性樹脂フィルム100質量%のうち、5~30質量%が好ましく、7~20質量%がより好ましい。 When a flame retardant is used, from the viewpoint of forming a thermoplastic resin film with a desired thickness (e.g., 20 μm), the content of the flame retardant in the entire thermoplastic resin film is preferably 5 to 30 mass %, and more preferably 7 to 20 mass %, of 100 mass % of the thermoplastic resin film.

また、相溶化剤としては、ランダムポリマー型とグラフト・ブロックポリマー型が使用できる。より具体的には、例えば、ポリスチレンとポリカプロラクトンとのブロックコポリマー、カプロラクトンで変性させたスチレン/無水マレイン酸/不飽和誘導体コポリマー、無水マレイン酸をグラフトしたε-ポリカプロラクトン、及びメタクリル酸グリシジル-スチレン-アクリロニトリル共重合体とポリカーボネートとのブロック共重合体等が挙げられる。 As compatibilizers, random polymer types and graft block polymer types can be used. More specifically, examples include block copolymers of polystyrene and polycaprolactone, styrene/maleic anhydride/unsaturated derivative copolymers modified with caprolactone, ε-polycaprolactone grafted with maleic anhydride, and block copolymers of glycidyl methacrylate-styrene-acrylonitrile copolymer and polycarbonate.

そして、本発明においては、このような相溶化剤を使用することにより、熱可塑性樹脂フィルムの成形性を向上することができる。 In the present invention, the use of such a compatibilizer can improve the moldability of the thermoplastic resin film.

また、相溶化剤を使用する場合、熱可塑性樹脂フィルムを所望の厚み(例えば、20μm)で製膜するとの観点から、熱可塑性樹脂フィルム全体に対する相溶化剤の含有量は、熱可塑性樹脂フィルム100質量%のうち、0.05~5質量%が好ましく、0.1~1質量%がより好ましい。 When a compatibilizer is used, from the viewpoint of forming a thermoplastic resin film with a desired thickness (e.g., 20 μm), the content of the compatibilizer relative to the entire thermoplastic resin film is preferably 0.05 to 5 mass %, and more preferably 0.1 to 1 mass %, of 100 mass % of the thermoplastic resin film.

また、本発明の熱可塑性樹脂フィルムは、例えば、インフレーション法、Tダイ押出し法、カレンダー法などによって製造される。 The thermoplastic resin film of the present invention is produced, for example, by an inflation method, a T-die extrusion method, a calendar method, etc.

インフレーション法によって製造する場合は、溶融された熱可塑性樹脂を、リングダイから押出し連続したチューブ状に成形する。このチューブ状の樹脂に内側から圧搾空気を送り込んで徐々に所定の幅のフィルムにまで膨張させ、引取機のニップロールに挟んで引き取ることにより、本発明の熱可塑性樹脂フィルムを製造することができる。 When manufacturing by the inflation method, molten thermoplastic resin is extruded from a ring die and formed into a continuous tube. Compressed air is fed into this tubular resin from the inside to gradually expand it into a film of a specified width, and the thermoplastic resin film of the present invention can be produced by pinching it between the nip rolls of a take-up machine and taking it up.

また、熱可塑性樹脂フィルムをインフレーション法によって製造する際に、リングダイの出口の樹脂温度が、ガラス転移温度よりも、例えば、60℃以上高い状態で目標の厚さなるように製膜し、その後、その形状を保ったまま徐冷しながら引取り、厚さが10~100μmの熱可塑性樹脂フィルムを得ることができる。 When manufacturing a thermoplastic resin film by the inflation method, the resin is formed to a target thickness when the resin temperature at the exit of the ring die is, for example, 60°C higher than the glass transition temperature, and then the film is drawn while slowly cooling while maintaining its shape, to obtain a thermoplastic resin film with a thickness of 10 to 100 μm.

また、本発明の熱可塑性樹脂フィルムをTダイ押出し法によって製造する場合は、単軸、または2軸押出機のシリンダー温度とダイス温度を熱可塑性樹脂のガラス転移点より50℃から150℃高い温度に設定し、熱可塑性樹脂を押出機に投入し、スクリュー回転数5~50rpmで溶融混練し、Tダイから押し出し、厚さ10~100μmの熱可塑性樹脂フィルムを得ることができる。 When the thermoplastic resin film of the present invention is produced by a T-die extrusion method, the cylinder temperature and die temperature of a single-screw or twin-screw extruder are set to a temperature 50°C to 150°C higher than the glass transition point of the thermoplastic resin, the thermoplastic resin is fed into the extruder, melt-kneaded at a screw rotation speed of 5 to 50 rpm, and extruded from a T-die to obtain a thermoplastic resin film having a thickness of 10 to 100 μm.

<プリプレグ>
本発明のプリプレグは、連続炭素繊維を開繊・含浸機に供給して、本発明の熱可塑性樹脂フィルムによって挟み込む、または本発明の熱可塑性樹脂フィルムを連続炭素繊維によって挟み込んで、炭素繊維に熱可塑性樹脂フィルムを積層し、加熱・加圧処理により、熱可塑性樹脂を炭素繊維に含浸させる、フィルムスタッキング法により得られる。
<Prepreg>
The prepreg of the present invention can be obtained by a film stacking method in which continuous carbon fibers are supplied to a fiber spreading/impregnation machine and sandwiched between the thermoplastic resin films of the present invention, or the thermoplastic resin film of the present invention is sandwiched between the continuous carbon fibers, the thermoplastic resin film is laminated onto the carbon fibers, and the carbon fibers are impregnated with the thermoplastic resin by a heat/pressure treatment.

図1は、本発明の実施形態に係るプリプレグの製造方法の一例を説明するための模式図である。 Figure 1 is a schematic diagram for explaining an example of a method for manufacturing a prepreg according to an embodiment of the present invention.

プリプレグの製造する際には、まず、開繊・含浸機10の供給ローラ対11により、シート状の連続炭素繊維CSをプレートヒーター12に向けて搬送するとともに、連続炭素繊維CSの一面および他面に、熱可塑性樹脂フィルムRF1,RF2を積層して、シート状の連続炭素繊維CSと熱可塑性樹脂フィルムRF1,RF2からなる積層体を作製する。次に、この積層体を、図中の矢印の方向に搬送させて、第1ローラ対13と第2ローラ対14により挟持させた状態で、プレートヒーター12を通過させて、加熱・加圧処理を行う。そうすると、積層体の熱可塑性樹脂フィルムRF1,RF2が軟化して、シート状の連続炭素繊維CS中に含浸され、本発明のプリプレグPを得ることができる。 When manufacturing the prepreg, first, the sheet-like continuous carbon fiber CS is conveyed toward the plate heater 12 by the pair of supply rollers 11 of the opening and impregnation machine 10, and thermoplastic resin films RF1, RF2 are laminated on one side and the other side of the continuous carbon fiber CS to produce a laminate consisting of the sheet-like continuous carbon fiber CS and the thermoplastic resin films RF1, RF2. Next, this laminate is conveyed in the direction of the arrow in the figure, and passed through the plate heater 12 while being sandwiched between the first roller pair 13 and the second roller pair 14, to perform a heating and pressurizing treatment. This causes the thermoplastic resin films RF1, RF2 of the laminate to soften and be impregnated into the sheet-like continuous carbon fiber CS, and the prepreg P of the present invention can be obtained.

また、図2は、本発明の実施形態に係るプリプレグの製造方法の他の一例を説明するための模式図である。この場合、まず、開繊・含浸機10の供給ローラ対11により、熱可塑性樹脂フィルムRFをプレートヒーター12に向けて搬送するとともに、熱可塑性樹脂フィルムRFの一面および他面に、シート状の連続炭素繊維CS1,CS2を積層して、熱可塑性樹脂フィルムRFとシート状の連続炭素繊維CS1,CS2からなる積層体を作製する。次に、この積層体を、図中の矢印の方向に搬送させて、第1ローラ対13と第2ローラ対14により挟持させた状態で、プレートヒーター12を通過させて、加熱・加圧処理を行う。そうすると、積層体の熱可塑性樹脂フィルムRFが軟化して、シート状の連続炭素繊維CS中に含浸され、本発明のプリプレグPを得ることができる。 Also, FIG. 2 is a schematic diagram for explaining another example of a method for producing a prepreg according to an embodiment of the present invention. In this case, first, the thermoplastic resin film RF is conveyed toward the plate heater 12 by the pair of supply rollers 11 of the opening and impregnation machine 10, and sheet-like continuous carbon fibers CS1, CS2 are laminated on one side and the other side of the thermoplastic resin film RF to produce a laminate consisting of the thermoplastic resin film RF and the sheet-like continuous carbon fibers CS1, CS2. Next, this laminate is conveyed in the direction of the arrow in the figure, and passed through the plate heater 12 while being sandwiched between the first roller pair 13 and the second roller pair 14, to perform a heating and pressurizing treatment. Then, the thermoplastic resin film RF of the laminate is softened and impregnated into the sheet-like continuous carbon fibers CS, and the prepreg P of the present invention can be obtained.

そして、上述の所定の厚さを有する熱可塑性樹脂フィルムを使用して、フィルムスタッキング法を用いてプリプレグを製造することにより、炭素繊維に対して樹脂成分を均一に含浸することが可能になるため、プリプレグを製造する際の歩留まりを向上させることができ、結果として、プリプレグの製造コストを抑制することが可能になる。 By using a thermoplastic resin film having the above-mentioned predetermined thickness to manufacture prepregs using a film stacking method, it becomes possible to uniformly impregnate the carbon fibers with the resin components, thereby improving the yield when manufacturing the prepregs and, as a result, making it possible to reduce the manufacturing costs of the prepregs.

また、フィルムスタッキング法で熱可塑性樹脂フィルムを炭素繊維に含浸させる場合、熱可塑性樹脂の融点付近の温度で予備含浸させて、本含浸を行う。熱可塑性樹脂の融点を超える温度域では熱可塑性樹脂フィルムが破断してしまい、それ以下の温度では予備含浸が不足する。また、熱可塑性樹脂の融点付近で熱可塑性樹脂フィルムのTDに熱収縮(ネックイン)が生じると、炭素繊維がプリプレグの中央部に寄ってしまい、面内で物性のバラつきが生じる可能性がある。このため、熱可塑性樹脂フィルムの寸法安定性が求められる。熱可塑性樹脂フィルムの寸法安定性の評価は、例えば、上述のごとく、庫内温度を熱可塑性樹脂の融点付近の加熱温度に設定したオーブンで2分間の加熱を行い、加熱収縮率を測定することにより行う。 When the thermoplastic resin film is impregnated into the carbon fiber by the film stacking method, the film is pre-impregnated at a temperature near the melting point of the thermoplastic resin, and then the main impregnation is performed. The thermoplastic resin film breaks at temperatures above the melting point of the thermoplastic resin, and pre-impregnation is insufficient at temperatures below that point. In addition, if thermal shrinkage (neck-in) occurs in the TD of the thermoplastic resin film near the melting point of the thermoplastic resin, the carbon fiber may move toward the center of the prepreg, resulting in in-plane variation in physical properties. For this reason, dimensional stability of the thermoplastic resin film is required. The dimensional stability of the thermoplastic resin film is evaluated, for example, by heating for 2 minutes in an oven with the inside temperature set to a heating temperature near the melting point of the thermoplastic resin, as described above, and measuring the heat shrinkage rate.

また、プリプレグの厚さは、50~300μmが好ましく、60~150μmがより好ましい。プリプレグの厚さが50μm未満の場合は、プリプレグ積層体を作製する際に、必要なプリプレグの枚数が増加してしまうため、加工時間が長くなり、生産性が低下する場合がある。また、プリプレグの厚さが小さいため、プリプレグを構成する熱可塑性樹脂フィルムの厚さも小さく(例えば、10μm未満)する必要があり、プリプレグにおいて、炭素繊維に対して樹脂成分が不足することに起因する含浸不良が発生する場合がある。一方、プリプレグの厚さが300μmよりも大きい場合は、プリプレグを構成する熱可塑性樹脂フィルムの厚さも大きく(例えば、100μmよりも大きく)する必要があるため、プリプレグにおいて、過剰な樹脂成分に起因する炭素繊維の体積含有率(Vf値)の低下が生じて、プリプレグ積層体において強度が低下する場合がある。 The thickness of the prepreg is preferably 50 to 300 μm, more preferably 60 to 150 μm. If the thickness of the prepreg is less than 50 μm, the number of prepregs required to produce a prepreg laminate increases, which may result in a longer processing time and a decrease in productivity. In addition, since the thickness of the prepreg is small, the thickness of the thermoplastic resin film constituting the prepreg must also be small (for example, less than 10 μm), and impregnation failure may occur in the prepreg due to a shortage of resin components relative to the carbon fibers. On the other hand, if the thickness of the prepreg is greater than 300 μm, the thickness of the thermoplastic resin film constituting the prepreg must also be large (for example, greater than 100 μm), which may result in a decrease in the volume fraction (Vf value) of the carbon fibers due to excess resin components in the prepreg, and the strength of the prepreg laminate may decrease.

<プリプレグ積層体>
本発明のプリプレグ積層体は、複数枚のプリプレグを、繊維が一方向に引き揃えられているUD(Unidirectional)方向に積層して、加熱・加圧処理を行うことにより作製される。なお、プリプレグの積層枚数は、プリプレグ積層体の厚さに基づいて、適宜変更することができる。例えば、プリプレグ積層体の厚さが1.5~2.5mmの場合、40~60枚のプリプレグを積層することができる。
<Prepreg Laminate>
The prepreg laminate of the present invention is produced by stacking a plurality of prepregs in a unidirectional (UD) direction in which the fibers are aligned in one direction, and then subjecting the laminate to a heat and pressure treatment. The number of prepregs stacked can be appropriately changed based on the thickness of the prepreg laminate. For example, when the thickness of the prepreg laminate is 1.5 to 2.5 mm, 40 to 60 prepregs can be stacked.

また、本発明のプリプレグ積層体においては、強度を向上させるとの観点から、空隙率が2.0%未満であることが好ましく、1.0%以下であることがより好ましい。 In addition, in the prepreg laminate of the present invention, from the viewpoint of improving strength, it is preferable that the void ratio is less than 2.0%, and more preferably 1.0% or less.

また、同様に、本発明のプリプレグ積層体の強度を向上させるとの観点から、プリプレグ積層体における炭素繊維の体積含有率(Vf値)が40~60%であることが好ましい。 Similarly, from the viewpoint of improving the strength of the prepreg laminate of the present invention, it is preferable that the volume content (Vf value) of carbon fibers in the prepreg laminate is 40 to 60%.

また、上述のごとく、本発明のプリプレグ積層体は強度に優れており、曲げ強度が1170MPa以上であることが好ましく、1200MPa以上であることがより好ましい。 As described above, the prepreg laminate of the present invention has excellent strength, and the bending strength is preferably 1170 MPa or more, and more preferably 1200 MPa or more.

また、例えば、アルミ合金の曲げ弾性率は70GPa以上の高弾性率を示すが、アルミ等の金属との代替を可能にするとの観点から、本発明のプリプレグ積層体の曲げ弾性率は70GPa以上であることが好ましい。 For example, aluminum alloys have a high flexural modulus of 70 GPa or more, but from the viewpoint of enabling replacement with metals such as aluminum, it is preferable that the flexural modulus of the prepreg laminate of the present invention is 70 GPa or more.

なお、ここで言う「曲げ強度、及び曲げ弾性率」とは、JIS K 7074の「炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」の規定に準拠して測定した値を、炭素繊維の体積含有率(Vf値)を50%に換算した場合の値のことをいう。 The term "flexural strength and flexural modulus" used here refers to the values measured in accordance with the "Bending test method for carbon fiber reinforced plastics" specified in JIS K 7074, converted to a carbon fiber volume content (Vf value) of 50%.

以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これらの実施例を本発明の趣旨に基づいて変形、変更することが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。 The present invention will be described below based on examples. Note that the present invention is not limited to these examples, and these examples can be modified or changed based on the spirit of the present invention, and are not excluded from the scope of the present invention.

熱可塑性樹脂フィルムの作製に使用した材料を以下に示す。
(1)ポリカーボネート樹脂1(住化ポリカーボネート社製、商品名:PCX-10325B、融点:150℃、ソルビタン脂肪酸エステル系帯電防止剤が添加されたもの)
(2)ポリカーボネート樹脂2(住化ポリカーボネート社製、商品名:AS2010L、融点:150℃、ソルビタン脂肪酸エステル系帯電防止剤が添加されたもの)
(3)ポリカーボネート樹脂3(三菱エンジニアリングプラスチックス社製、商品名:ノバレックス7022E TH、融点:150℃、ソルビタン脂肪酸エステル系帯電防止剤が添加されたもの)
(4)ポリカーボネート樹脂4(住化ポリカーボネート社製、商品名:ガリバー301-15、融点:150℃)
(5)ポリカーボネート樹脂5(帝人社製、商品名:パンライトMN-4400Z、融点:150℃)
(6)ポリカーボネート樹脂6(住化ポリカーボネート社製、商品名:ガリバー302-4、融点:150℃)
(7)フェノキシ樹脂(日鉄ケミカル&マテリアル社製、商品名:フェノトートYP-50、融点:95℃)
(8)ポリプロピレン樹脂(プライムポリマー社製、商品名:F-300SP、融点:160℃)
(9)ポリビニルアルコール樹脂(クラレ社製、商品名:MOWIFLEX C-500T、融点:200℃)
(10)帯電防止剤1:アルカンスルホン酸ナトリウム(花王社製、商品名:エレクトロンストリッパーPC-3)
(11)ポリブチレンテレフタレート樹脂(ポリプラスチックス社製、商品名:700FP)
(12)難燃剤1:環状ホスファゼン(伏見製薬所製、商品名:ラビトルFP110)
(13)難燃剤2:ポリホスフォネート(エフアールエックスポリマーズ社製、商品名:Nofia HM1100)
(14)相溶化剤1:メタクリル酸グリシジル-スチレン-アクリロニトリル共重合体とポリカーボネートとのブロック共重合体(日油製、商品名:モデイパーCL430-G)
The materials used in the preparation of the thermoplastic resin film are shown below.
(1) Polycarbonate resin 1 (manufactured by Sumika Polycarbonate Co., Ltd., product name: PCX-10325B, melting point: 150°C, containing sorbitan fatty acid ester-based antistatic agent)
(2) Polycarbonate resin 2 (manufactured by Sumika Polycarbonate Co., Ltd., product name: AS2010L, melting point: 150°C, containing sorbitan fatty acid ester-based antistatic agent)
(3) Polycarbonate resin 3 (manufactured by Mitsubishi Engineering Plastics Corporation, product name: NOVAREX 7022E TH, melting point: 150°C, containing sorbitan fatty acid ester-based antistatic agent)
(4) Polycarbonate resin 4 (manufactured by Sumika Polycarbonate Co., Ltd., product name: Gulliver 301-15, melting point: 150°C)
(5) Polycarbonate resin 5 (manufactured by Teijin Limited, product name: Panlite MN-4400Z, melting point: 150° C.)
(6) Polycarbonate resin 6 (manufactured by Sumika Polycarbonate Co., Ltd., product name: Gulliver 302-4, melting point: 150°C)
(7) Phenoxy resin (manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd., product name: Phenototo YP-50, melting point: 95°C)
(8) Polypropylene resin (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., product name: F-300SP, melting point: 160°C)
(9) Polyvinyl alcohol resin (manufactured by Kuraray Co., Ltd., product name: MOWIFLEX C-500T, melting point: 200° C.)
(10) Antistatic agent 1: Sodium alkanesulfonate (manufactured by Kao Corporation, product name: Electronstripper PC-3)
(11) Polybutylene terephthalate resin (manufactured by Polyplastics Co., Ltd., product name: 700FP)
(12) Flame retardant 1: cyclic phosphazene (manufactured by Fushimi Pharmaceutical Co., Ltd., trade name: Rabitol FP110)
(13) Flame retardant 2: Polyphosphonate (manufactured by FRX Polymers, product name: Nofia HM1100)
(14) Compatibilizer 1: Block copolymer of glycidyl methacrylate-styrene-acrylonitrile copolymer and polycarbonate (manufactured by NOF Corp., product name: Modiper CL430-G)

(実施例1)
<熱可塑性樹脂フィルムの作製>
まず、単軸押出機のシリンダー温度とダイス温度を240~280℃に設定し、上述のポリカーボネート樹脂を押出機に投入して、スクリュー回転数5~50rpmで溶融混練し、Tダイから押し出すことにより、厚さが20μmの熱可塑性樹脂フィルムを得た。
Example 1
<Preparation of Thermoplastic Resin Film>
First, the cylinder temperature and die temperature of the single screw extruder were set to 240 to 280°C, and the above-mentioned polycarbonate resin was fed into the extruder, melt-kneaded at a screw rotation speed of 5 to 50 rpm, and extruded from a T-die to obtain a thermoplastic resin film having a thickness of 20 μm.

<表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合の算出>
得られた熱可塑性樹脂フィルムの表面における表面自由エネルギーを、各種液滴の接触角(測定温度:25℃)を測定し、その値に基づいて、OWRK理論(Owens-Wendt-Rable-Kaelble)により求めた。
<Calculation of the ratio of hydrogen bond components to surface free energy>
The surface free energy on the surface of the obtained thermoplastic resin film was calculated by measuring the contact angles of various liquid droplets (measurement temperature: 25° C.) and using the values thus measured according to the OWRK theory (Owens-Wendt-Rable-Kaelble).

より具体的には、「分散成分」としてジヨードメタンの液滴を使用するとともに、「水素結合成分(=極性成分)」として純水の液滴を使用し、全自動接触角計(協和界面科学社製、商品名:DM-901)を使用して、JIS R 3257に準拠して、温度が25℃、相対湿度が50%の条件下で、ジヨードメタンと純水の接触角を測定し、これらから分散成分と水素結合成分(極性成分)の各々の表面自由エネルギーを求め、求めた各表面自由エネルギーの和から、OWRK理論の計算式を用いて、熱可塑性樹脂フィルムの表面における表面自由エネルギー[mJ/m]を求めるとともに、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合[%]を算出した。なお、各表面エネルギーは、表面自由エネルギー解析ソフト(協和界面科学社製、商品名:FAMAS)を使用して求めた。以上の結果を表1に示す。 More specifically, a droplet of diiodomethane was used as the "dispersion component" and a droplet of pure water was used as the "hydrogen bond component (= polar component)". Using a fully automatic contact angle meter (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., product name: DM-901), the contact angles of diiodomethane and pure water were measured in accordance with JIS R 3257 under conditions of a temperature of 25°C and a relative humidity of 50%. From these, the surface free energies of the dispersion component and the hydrogen bond component (polar component) were calculated, and the surface free energy [mJ/m 2 ] on the surface of the thermoplastic resin film was calculated from the sum of the calculated surface free energies using the calculation formula of the OWRK theory, and the ratio [%] of the hydrogen bond component to the surface free energy was calculated. Each surface energy was calculated using surface free energy analysis software (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., product name: FAMAS). The above results are shown in Table 1.

<加熱収縮率の算出>
50mm(TD)×100mm(MD)の熱可塑性樹脂フィルムのMDの両端部をTDに沿ってアルミニウムテープで厚さ0.3mmのSUS板上に固定し、オーブン(エスペック社製、型式:PHH-201M)に入れて、ダンパーの開度50%、融点近傍付近の加熱温度(170℃)で2分間維持した後に、樹脂フィルムのTDの最も収縮した部分の長さ(mm)を測定し、50mmに対する割合からTDの収縮率を算出した。なお、上記算出を10回行い、その平均値を本実施例の加熱収縮率とした。以上の結果を表1に示す。
<Calculation of heat shrinkage rate>
Both ends of a thermoplastic resin film of 50 mm (TD) x 100 mm (MD) in the MD were fixed on a SUS plate of 0.3 mm thickness with aluminum tape along the TD, and the film was placed in an oven (manufactured by Espec Corp., model: PHH-201M), and the film was maintained for 2 minutes at a damper opening of 50% and a heating temperature (170°C) near the melting point. The length (mm) of the most shrunk part in the TD of the resin film was then measured, and the shrinkage rate in the TD was calculated from the ratio to 50 mm. The above calculation was performed 10 times, and the average value was taken as the heat shrinkage rate of this example. The results are shown in Table 1.

<プリプレグの作製>
次に、得られた樹脂フィルムと炭素繊維トウ(東レ社製、商品名:T700SC-1200)を図2に示す開繊・含浸機10に供給し、ポリカーボネート樹脂フィルムを連続炭素繊維で挟み込み、250℃の温度において、10m/分の割合で加熱・加圧処理を行うことにより、幅が220mm、厚さが85μmのプリプレグを得た。
<Preparation of prepreg>
Next, the obtained resin film and carbon fiber tow (manufactured by Toray Industries, Inc., product name: T700SC-1200 0 ) were supplied to the opening and impregnation machine 10 shown in FIG. 2 , and the polycarbonate resin film was sandwiched between the continuous carbon fibers. Heat and pressure treatment was performed at a temperature of 250° C. and a rate of 10 m/min, thereby obtaining a prepreg having a width of 220 mm and a thickness of 85 μm.

<プリプレグ積層体の作製>
次に、作製したプリプレグをプレス金型サイズ(200mm角)に切削したものを48枚用意し、炭素繊維が同一の方向に配列されるように重ね合わせた。そして、この積層体をプレス金型に入れ、260℃の温度、5MPaの圧力で15分間熱プレス処理を行い、厚さが1.9mmであるプリプレグ積層体を作製した。
<Preparation of prepreg laminate>
Next, 48 pieces of the prepreg were cut to the size of a press die (200 mm square), and stacked so that the carbon fibers were aligned in the same direction. This laminate was then placed in a press die and subjected to a heat press treatment at a temperature of 260° C. and a pressure of 5 MPa for 15 minutes to produce a prepreg laminate with a thickness of 1.9 mm.

<空隙率、および繊維体積含有率(Vf)の算出>
次に、JIS K 7075(炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率および空洞率試験方法)の燃焼法に準拠して、得られプリプレグ積層体における空隙率及び繊維体積含有率(Vf)を算出した。
<Calculation of void ratio and fiber volume content (Vf)>
Next, the void content and fiber volume content (Vf) of the obtained prepreg laminate were calculated in accordance with the combustion method of JIS K 7075 (Test method for fiber content and void content of carbon fiber reinforced plastics).

より具体的には、電気炉および電子天秤を用いて、測定試料であるプリプレグ積層体の質量を測定した後、るつぼ中、窒素雰囲気下で、20℃/分の昇温速度で、室温から加熱し、550℃に達したところで、10分間、焼却して、試料中の樹脂分を灰化した。 More specifically, the mass of the prepreg laminate, which was the measurement sample, was measured using an electric furnace and an electronic balance, and then it was heated from room temperature in a crucible under a nitrogen atmosphere at a heating rate of 20°C/min. When it reached 550°C, it was incinerated for 10 minutes to convert the resin content in the sample to ashed material.

なお、炭素繊維は、窒素雰囲気下での加熱では分解しないため、550℃の時の重量を炭素繊維重量とし、比重で乗じたものを炭素繊維体積とした。また、灰化重量を樹脂重量として、樹脂比重を乗じたものを樹脂体積とした。 Since carbon fiber does not decompose when heated in a nitrogen atmosphere, the weight at 550°C was used as the carbon fiber weight, and the volume of the carbon fiber was calculated by multiplying this by the specific gravity. The weight of the ashed resin was used as the resin weight, and the volume of the resin was calculated by multiplying this by the specific gravity of the resin.

そして、JIS K 7075における式(3)を用いて繊維体積含有率(Vf)[%]を算出するとともに、JIS K 7075における式(4)を用いて空隙率[%]を算出した。以上の結果を表1に示す。 Then, the fiber volume content (Vf) [%] was calculated using formula (3) in JIS K 7075, and the void ratio [%] was calculated using formula (4) in JIS K 7075. The results are shown in Table 1.

<曲げ強度、および曲げ弾性率の測定>
次に、JIS K 7074(炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法)に従い、4点曲げ法により、得られプリプレグ積層体における曲げ強度、および曲げ弾性率を算出した。
<Measurement of bending strength and bending modulus>
Next, in accordance with JIS K 7074 (bending test method for carbon fiber reinforced plastics), the bending strength and bending modulus of the obtained prepreg laminate were calculated by a four-point bending method.

より具体的には、得られたプリプレグ積層体から、幅が15mm、長さが100mmとなるように切り出したサンプルを作製し、4点曲げ治具を設置した引張試験機(島津製作所社製、商品名:オートグラフ5000)を用いて、クロスヘッド速度が5.0mm/分、支点スパンが81mm、圧子スパンが27mm、支点径が4mm、および圧子径が10mmの条件で、4点曲げ測定を行ない、曲げ強度[MPa]と曲げ弾性率[GPa]を測定した。 More specifically, samples were cut from the obtained prepreg laminate to a width of 15 mm and a length of 100 mm, and four-point bending measurements were performed using a tensile tester (Shimadzu Corporation, product name: Autograph 5000) equipped with a four-point bending jig under conditions of a crosshead speed of 5.0 mm/min, a support span of 81 mm, an indenter span of 27 mm, a support diameter of 4 mm, and an indenter diameter of 10 mm, to measure the bending strength [MPa] and bending modulus [GPa].

そして、測定した4点曲げ強度[MPa]と4点曲げ弾性率[GPa]の値を、炭素繊維の体積含有率(Vf値)で除し、50%を乗じて換算した場合のVf50%換算4点曲げ強度[MPa]とVf50%換算4点曲げ弾性率[GPa]を算出した。以上の結果を表1に示す。 The measured four-point bending strength [MPa] and four-point bending modulus [GPa] were then divided by the volume content of carbon fiber (Vf value) and multiplied by 50% to calculate the four-point bending strength [MPa] and four-point bending modulus [GPa] converted to Vf50%. The results are shown in Table 1.

(実施例2~6,8~9、比較例1~2)
熱可塑性樹脂フィルムを形成する材料を表1~2に示す材料に変更したこと以外は、上述の実施例1と同様にして、表1~2に示す厚さを有する熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、及びプリプレグ積層体を作製した。
(Examples 2 to 6, 8 to 9, Comparative Examples 1 to 2)
Thermoplastic resin films, prepregs, and prepreg laminates having the thicknesses shown in Tables 1 and 2 were produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the materials forming the thermoplastic resin films were changed to the materials shown in Tables 1 and 2.

なお、実施例5においては、100質量部のポリカーボネート樹脂に対して、帯電防止剤を1.5質量部添加した材料を、ブレンダーにて混合した後、2軸押出機を用いてストランド状に押出した溶融樹脂を冷却して、ペレタイザーを用いてペレット化し、その後、上述の実施例1と同様にして、表1に示す厚さを有する熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、及びプリプレグ積層体を作製した。 In Example 5, 100 parts by mass of polycarbonate resin and 1.5 parts by mass of antistatic agent were mixed in a blender, and the molten resin extruded into strands using a twin-screw extruder was cooled and pelletized using a pelletizer. Thereafter, a thermoplastic resin film, prepreg, and prepreg laminate having the thicknesses shown in Table 1 were produced in the same manner as in Example 1 above.

また、実施例8においては、100質量部のポリカーボネート樹脂に対して、難燃剤1を4質量部、難燃剤2を10質量部、相溶化剤1を1質量部添加した材料を、ブレンダーにて混合した後、2軸押出機を用いてストランド状に押出した溶融樹脂を冷却して、ペレタイザーを用いてペレット化し、その後、上述の実施例1と同様にして、表1に示す厚さを有する熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、及びプリプレグ積層体を作製した。 In Example 8, 4 parts by mass of flame retardant 1, 10 parts by mass of flame retardant 2, and 1 part by mass of compatibilizer 1 were added to 100 parts by mass of polycarbonate resin, and the mixture was mixed in a blender. The molten resin was extruded into a strand shape using a twin-screw extruder, cooled, and pelletized using a pelletizer. Then, in the same manner as in Example 1 described above, a thermoplastic resin film, prepreg, and prepreg laminate having the thicknesses shown in Table 1 were produced.

(実施例7)
熱可塑性樹脂フィルムを形成する材料を表1に示す材料に変更し、インフレーション法で熱可塑性樹脂フィルムを形成した。より具体的には、溶融されたフェノキシ樹脂を、リングダイの出口の樹脂温度が200℃の場合に目標の厚さなるように製膜し、リングダイから押出し連続したチューブ状に成形した。このチューブ状の樹脂に内側から圧搾空気を送り込んで徐々に所定の幅のフィルムにまで膨張させ、引取機のニップロールに挟んで引き取ることにより、厚さが20μmの熱可塑性樹脂フィルムを得た。その後、上述の実施例1と同様にして、プリプレグ、及びプリプレグ積層体を作製した。
(Example 7)
The material for forming the thermoplastic resin film was changed to the material shown in Table 1, and a thermoplastic resin film was formed by the inflation method. More specifically, the molten phenoxy resin was formed into a film of the target thickness when the resin temperature at the outlet of the ring die was 200°C, and extruded from the ring die to form a continuous tube. Compressed air was fed into this tubular resin from the inside to gradually expand it to a film of a predetermined width, and the film was taken up by nipping it between the nip rolls of a take-up machine to obtain a thermoplastic resin film of a thickness of 20 μm. Thereafter, a prepreg and a prepreg laminate were produced in the same manner as in Example 1 described above.

そして、上述の実施例1と同様にして、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合、加熱収縮率、空隙率、および繊維体積含有率(Vf)を算出し、曲げ強度、および曲げ弾性率を測定した。以上の結果を表1~2に示す。 Then, in the same manner as in Example 1 described above, the ratio of hydrogen bond components to the surface free energy, the heat shrinkage rate, the porosity, and the fiber volume content (Vf) were calculated, and the bending strength and bending modulus were measured. The results are shown in Tables 1 and 2.

(比較例3)
熱可塑性樹脂フィルムを形成する材料を表2に示す材料に変更したこと以外は、上述の実施例1と同様にして、表2に示す厚さを有する熱可塑性樹脂フィルムを作製し、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合を算出した。
(Comparative Example 3)
Except for changing the material for forming the thermoplastic resin film to the material shown in Table 2, a thermoplastic resin film having the thickness shown in Table 2 was produced in the same manner as in Example 1 described above, and the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy was calculated.

なお、比較例3のポリビニルアルコール樹脂フィルムは、ブロッキングしやすく、フィルムを巻き送ることが困難であったため、上述のフィルムスタッキング法ではプリプレグを作製することができなかった。従って、加熱収縮率、空隙率、および繊維体積含有率(Vf)の算出、曲げ強度、および曲げ弾性率の測定を行わなかった。 The polyvinyl alcohol resin film of Comparative Example 3 was prone to blocking and difficult to wind, so prepregs could not be produced using the film stacking method described above. Therefore, calculations of heat shrinkage, void ratio, and fiber volume content (Vf), and measurements of bending strength and bending modulus were not performed.

Figure 0007519891000001
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Figure 0007519891000002
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表1に示すように、実施例1~9の熱可塑性樹脂フィルムにおいては、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が6%以上35%以下であるため、熱可塑性樹脂と炭素繊維との接着性が向上し、空隙率が低く、長期にわたって強度に優れるプリプレグ積層体を得ることができることが分かる。 As shown in Table 1, in the thermoplastic resin films of Examples 1 to 9, the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is 6% or more and 35% or less, so it is clear that it is possible to obtain a prepreg laminate with improved adhesion between the thermoplastic resin and the carbon fiber, low porosity, and excellent strength over the long term.

一方、表2に示すように、比較例1~2の熱可塑性樹脂フィルムにおいては、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が6%未満であるため、プリプレグ積層体の空隙率が高く、実施例1~7に比し、強度に劣ることが分かる。特に、比較例2のポリプロピレン樹脂フィルムにおいては、表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が非常に少ないため、プリプレグ積層体の空隙率が非常に高く、強度が著しく低下していることが分かる。 On the other hand, as shown in Table 2, in the thermoplastic resin films of Comparative Examples 1 and 2, the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is less than 6%, so the porosity of the prepreg laminate is high and the strength is inferior to that of Examples 1 to 7. In particular, in the polypropylene resin film of Comparative Example 2, the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is very low, so the porosity of the prepreg laminate is very high and the strength is significantly reduced.

以上説明したように、本発明は、炭素繊維に含浸させて、プリプレグを形成するための熱可塑性樹脂フィルム、プリプレグ、およびこれを用いたプリプレグ積層体に適している。 As described above, the present invention is suitable for a thermoplastic resin film for impregnating carbon fibers to form a prepreg, a prepreg, and a prepreg laminate using the same.

10 開繊・含浸機
11 供給ローラ対
12 プレートヒーター
13 第1ローラ対
14 第2ローラ対
CS,CS1,CS2 炭素繊維
P プリプレグ
RF,RF1,RF2 熱可塑性樹脂フィルム
REFERENCE SIGNS LIST 10 Fiber opening and impregnation machine 11 Supply roller pair 12 Plate heater 13 First roller pair 14 Second roller pair CS, CS1, CS2 Carbon fiber P Prepreg RF, RF1, RF2 Thermoplastic resin film

Claims (8)

サイジング剤を有する炭素繊維に含浸させてプリプレグを形成するための熱可塑性樹脂フィルムであって、
前記サイジング剤はエポキシ系樹脂であり、
前記熱可塑性樹脂フィルムが、ポリカーボネート樹脂を含有し、
前記熱可塑性樹脂フィルムの水素結合成分量が4.0mJ/m 以上18mJ/m 以下であって、
表面自由エネルギーに対する水素結合成分の割合が6%以上35%以下であることを特徴とする熱可塑性樹脂フィルム。
A thermoplastic resin film for impregnating carbon fibers having a sizing agent to form a prepreg,
The sizing agent is an epoxy resin,
The thermoplastic resin film contains a polycarbonate resin,
The amount of hydrogen bonding components in the thermoplastic resin film is 4.0 mJ/m2 or more and 18 mJ/m2 or less,
A thermoplastic resin film, characterized in that the ratio of hydrogen bonding components to the surface free energy is 6% or more and 35% or less.
50mm(TD)×100mm(MD)の前記熱可塑性樹脂フィルムのMDの両端部をTDに沿ってアルミニウムテープで厚さ0.3mmのSUS板上に固定し、オーブンに入れて、ダンパーの開度50%、170℃で2分間維持した後に、樹脂フィルムのTDの最も収縮した部分の長さ(mm)を測定し、50mmに対する割合から算出したTDの加熱収縮率が7.0%未満であることを特徴とする請求項1に記載の熱可塑性樹脂フィルム。 The thermoplastic resin film according to claim 1, characterized in that both ends in the MD of the thermoplastic resin film of 50 mm (TD) x 100 mm (MD) are fixed along the TD with aluminum tape to a 0.3 mm thick SUS plate, placed in an oven, and maintained at 170°C for 2 minutes with the damper open to 50%, after which the length (mm) of the most shrunken part in the TD of the resin film is measured, and the heat shrinkage rate in TD calculated as the ratio to 50 mm is less than 7.0%. 前記熱可塑性樹脂フィルムが前記ポリカーボネート樹脂と帯電防止剤とを含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱可塑性樹脂フィルム。 3. The thermoplastic resin film according to claim 1, wherein the thermoplastic resin film contains the polycarbonate resin and an antistatic agent. 前記熱可塑性樹脂フィルムが前記ポリカーボネート樹脂と難燃剤とを含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱可塑性樹脂フィルム。 3. The thermoplastic resin film according to claim 1, wherein the thermoplastic resin film contains the polycarbonate resin and a flame retardant. 請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の熱可塑性樹脂フィルムを前記炭素繊維に含浸させたことを特徴とするプリプレグ。 A prepreg characterized in that the carbon fibers are impregnated with the thermoplastic resin film described in any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載のプリプレグを積層したことを特徴とするプリプレグ積層体。 A prepreg laminate comprising the prepreg according to claim 5. 前記プリプレグ積層体のVf50%換算4点曲げ強度が1301.1MPa以上1412.4MPa以下であることを特徴とする請求項6に記載のプリプレグ積層体。The prepreg laminate according to claim 6, characterized in that the prepreg laminate has a four-point bending strength calculated at Vf50% of 1301.1 MPa or more and 1412.4 MPa or less. 請求項1または請求項2に記載の熱可塑性樹脂フィルムの製造方法であって、A method for producing the thermoplastic resin film according to claim 1 or 2, comprising the steps of:
単軸押出機のシリンダー温度とダイス温度を240~280℃に設定し、前記ポリカーボネート樹脂を前記単軸押出機に供給する工程と、A step of setting a cylinder temperature and a die temperature of a single screw extruder to 240 to 280° C. and supplying the polycarbonate resin to the single screw extruder;
スクリュー回転数5~50rpmで溶融混練し、Tダイから押し出すことにより前記熱可塑性樹脂フィルムを得る工程とa step of melt-kneading the mixture at a screw rotation speed of 5 to 50 rpm and extruding the mixture through a T-die to obtain the thermoplastic resin film;
を備えることを特徴とする熱可塑性樹脂フィルムの製造方法。A method for producing a thermoplastic resin film, comprising:
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