JPH01141031A - 繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は繊維強化複合材料の製造方法に関する。

本発明により得られる＠維強化複合材料は、産業用部品
、スポーツ、レジャー用品等に広く使用される。

［従来の技術］ ガラス繊維、炭素繊維等を強化用繊維材料として用いる
繊維強化複合材料は、軽量であり、かつ高強度、高弾性
等の特長を有するので、産業用部品、スポーツ、レジャ
ー用品に広く使われており、更にその使用分野は拡大し
、使用量も増大しつつある。

この繊維強化複合材料においてマトリックス用樹脂とし
ては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬
化性樹脂が主として用いられており、マトリックス用樹
脂として熱硬化性樹脂を用いた場合には、強化用ｍ維材
料として連続長繊維、Ｖ＆物等を用いた場合にも熱硬化
性樹脂が未硬化時に低粘度であるため強化用繊維材料中
に十分に浸透し、ボイド（空隙）の少ない均質な繊維強
化複合材料が得られるが、他方、熱硬化性樹脂を用いる
と、■成形に長時間を要する、■未硬化樹脂を硬化剤等
と調合すると、徐々に硬化反応が進み、粘度が上昇する
ために、調合した樹脂バッチを所定時間以上置くことが
できず、含浸操作を早目に行なう必要がある、■得られ
た複合材料は一般に脆く耐衝撃性が低い、■−度所定の
形状に成形した後は別の形状に変形することができない
等の欠点があった。

そこで熱硬化性樹脂をマトリックス用樹脂として用いる
Ｗ＆維強化複合材料の上述の欠点を解消するために、マ
トリックス用樹脂として熱可塑性樹脂を用いることも試
みられているが、熱可塑性樹脂は、溶融時粘度が熱硬化
性樹脂の硬化前の粘度に比べて高く、強化用繊維材料と
して連続長繊維、織物等を用いた場合には、連続長繊維
、織物等への含浸が不十分で、結果としてボイドが多く
、貧弱な物性の複合材料しか得られないという欠点があ
った。このため熱可塑性樹脂をマトリックス用樹脂とす
る複合材料としては、長さ５ａｗｎ程度の短繊維をラン
ダムに配合する短繊維強化複合材料が主として製造され
ているが、このような短繊維強化複合材料では強化用繊
維材料の強度、弾性率等の特性を充分に活かすことがで
きない。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述の如く、熱可塑性樹脂をマトリックス用樹脂として
用いる、従来の繊維強化複合材料は、強化用繊維材料と
して連続長繊維や織物を用いた場合には、ボイドが多く
不均雪なものであり、また強化用繊維材料として短繊維
を用いた場合には、ボイドの発生は抑えられるが、強度
、弾性率等が不充分なものであった。

従って本発明の目的は、この枝の繊維強化複合材料が本
来有すべき、強度、弾性率等の諸物性値を満足するとと
もに、ボイドの発生がなく均質な繊維強化複合材料を、
マトリックス用樹脂として熱可塑性樹脂を用いて製造す
る方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上述の目的は、下記の工程（ａ）及び（６）を含む本発
明の繊維強化複合材料の製造方法により達成された。

（ａ）強化用繊維材料に熱可塑性樹脂の分散液を含浸塗
工した後、乾燥して熱可塑性樹脂で被覆された強化用繊
維材料を得る工程 （６）前記工程（ａ）で得られた、熱可塑性樹脂で被覆
された強化用繊維材料を、必要に応じて熱可塑性樹脂シ
ートと組み合せた後、熱プレスして繊維強化複合材料を
得る工程。

本発明の方法における工程（ａ）について先ず説明する
。

工程（ａ）において強化用繊維材料の含浸処理に用いら
れる熱可塑性樹脂の分散液（ディスバージョン）として
は、分散質である熱可塑性樹脂固体を水や有機溶媒等の
分散媒中に細粒状に分散させたサスペンション（＠濁液
）及び熱可塑性樹脂を有機溶媒で溶解して得た溶液を分
散質とし、これを水又は上記有機溶媒と混和しない有機
溶媒の分散媒中に細粒状に分散させたエマルジョン（乳
化液）がその例として挙げられる。熱可塑性樹脂の繊維
間隙中への含浸効率を上げるためには、分散質が出来る
だけ細かいサスペンションやエマルジョンを用いるのが
良い。

分散液用の熱可塑性樹脂としては、ナイロン（ポリアミ
ド）、飽和ポリエステル、ポリアクリルアミド、アクリ
ロニトリル−ブタジェン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹
脂）、ポリスチレン、ポリオレフィン、酢酸ビニル系共
重合ポリオレフィン、熱可塑性エラストマー、アイオノ
マー（α−オレフィンと不飽和カルボン酸とのイオン性
共重合体〉等が好ましく用いらる。上述の如くこれらの
熱可塑性樹脂は、サスペンション又はエマルジョンとし
て用いられるが、サスペンションの方が、調製に２工程
を要するエマルジョンに比べ、調製が１工程であって容
易であり、また有機溶媒に不溶乃至難溶の熱可塑性樹脂
でも水や有機溶媒を分散媒として調製可能である点で優
れている。

熱可塑性樹脂の分散液の代表例としては、熱可塑性エラ
ストマー、低密度ポリオレフィン、アイオノマー、酢酸
ビニル系共重合ポリオレフィン、低分子量ポリオレフィ
ンをそれぞれ水分散媒中に分散させたものが挙げられ、
これらはそれぞれ商品名ケミパールＡ、Ｍ、Ｓ、Ｖ、Ｗ
として三井石油化学工業（株）から市販されており、入
手可能である。

熱可塑性樹脂の分散液（サスペンション及び工マルジョ
ン）の調製に用いられる有機溶媒としては、強化用繊維
材料に熱可塑性樹脂を含浸させた後の揮散性を考慮する
と比較的に低沸点のものが良く、また複合材料の製造コ
ストを考慮すると比較的に安価な汎用溶媒が良い。従っ
てメタノール、エタノール、プロパツール等のアルコー
ル類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ベ
ンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類、トリクレン、
パークレン、メチルクロロホルム等の塩素化炭化水素又
はこれらの混合溶媒が通常用いられるが、サスペンショ
ン調製に際して分散媒として用いられる有機溶媒は、分
散質である熱可塑性樹脂を溶解しないか又は溶解しにく
いものを用いるのが好ましい。またエマルジョン調製に
際して、熱可塑性樹脂を溶解した分散質を得るために用
いられる有機溶媒は、当然のこととして熱可塑性樹脂を
溶解するものを用いる必要があり、またこの分散質を分
散するために用いられる分散媒−としての有機溶媒は分
散質用有機溶媒と混和しないものを用いる必要がある。

これらの有機溶媒の選択は用いられる熱可塑性樹脂の種
類によって適宜行なわれる。　熱可塑性樹脂の分散液中
の熱可塑性樹脂の濃度は、低すぎると分散液粘度が低下
し、分散液が強化用繊維材料の中まで充分に浸透するが
、樹脂を強化用繊維材料に所定量付着させるに充分でな
く、また濃度が高すぎると、分散液粘度が高くなり、分
散液が強化用繊維材料の中まで浸透しなくなるので、熱
可塑性樹脂及び溶媒の種類によって多少変動するが、１
５〜４０重量％の範囲とするのが好ましい。

本発明の工程（ａ）においては、上で得られた熱可塑性
樹脂の分散液を強化用繊維材料に含浸塗工する。強化用
繊維材料としては、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素
繊維、ガラス繊維−炭素繊維複合物などの無機繊維やア
ラミド繊維などの合成繊維などが使用される。又繊維材
料の形態としては、連続ストランド、織物、不織布等一
般に繊維強化複合材料に用いられるすべての形態をとる
ことができるが、通常の方法では含浸が困難な連続スト
ランド、織物状の繊維を用いる場合、本発明の効果が最
も発揮される。

熱可塑性樹脂の分散液の強化用繊維材料への含浸塗工は
、スプレー法により行なっても良いが、分散液を繊維間
隙に十分浸透させるためには、分散液中に繊維材料を所
定時間浸漬した後、引き上げる方法を採用するのが好ま
しい。

強化用繊維材料を熱可塑性樹脂の分散液に所定時間浸漬
した後、引き上げ、任意の乾燥手段で乾燥処理すると、
熱可塑性樹脂でその間隙が均一に充填被覆された強化用
繊維材料が得られる。強化用繊維材料への熱可塑性樹脂
の付着量は、繊維材料に対して１５〜３５ｗｔ％、特に
２０〜２５ｗｔ％であるのが好ましく、１５ｗｔ％より
も少ない場合には、樹脂の被覆が充分でなく、また３５
ｗｔ％よりも多い場合には、得られる複合材料の物性が
低下する。

本発明によれば、工程（ａ）を実施することにより、繊
維の中まで熱可塑性樹脂の分散液が隈無く浸透して、熱
可塑性樹脂でその間隙が均一に充填被覆された強化用繊
維材料が得られる。

次に本発明の工程（６）について説明する。

工程（６）においては、工程（ａ）で得られた、熱可塑
性樹脂でその間隙が充填被覆された強化用繊維材料を、
必要に応じて熱可塑性樹脂シートと組み合せた後、熱プ
レスして繊維強化複合材料を得る。

この工程において、熱可塑性樹脂被覆強化繊維材料は、
強化用繊維材料への樹脂の付着量が多い場合には、これ
を所定枚数積層し熱プレスすることが可能であるが、強
化用繊維材料への熱可塑性樹脂の付着量が少ない場合や
、最終製品として熱可塑性樹脂含量の多い複合材料を希
望する場合には熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料を熱可
塑性樹脂フィルムとともに積層することが行なわれる。

用いられる熱可塑性樹脂フィルムは、強化用繊維材料を
被覆するために用いた熱可塑性樹脂と同一種類のもので
ある必要はなく、該熱可塑性樹脂と加熱時に相溶するも
のであれば、いずれも使用することができる。但し、繊
維材料被覆用に用いた熱可塑性樹脂と同種の熱可塑性樹
脂からなる熱可塑性樹脂フィルムを用いるのが好ましい
。熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料と熱可塑性樹脂フィ
ルムとは必ずしも交互に積層する必要はなく、これらの
積層構造は、種々の配列を採り得るが、交互に積層した
方が、後続の熱プレスにより、強化用繊維材料と熱可塑
性樹脂フィルムとが強固に融着するので好ましい。

熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料のみを積層する場合の
その積層枚数又は熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料と熱
可塑性樹脂シートとを積層する場合のそれらの積層枚数
は最終製品である複合材料に要求される厚さ、強度等に
基づいて決定される。

熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料の片面又は両面に熱可
塑性樹脂フィルムを重ね合せただけの薄い積層体を熱プ
レスし、繊維強化複合材料を得ることもできる。

積層後の熱プレスは、熱可塑性樹脂の種類により多少変
動するが、圧力５〜３０ｋｇ／ｆｆｌ、温度１３０〜２
００℃の条件下に５〜１０分間行なわれ、最終製品であ
る繊維強化複合材料が得られる。

本発明の繊維強化複合材料の製造方法によれば、工程（
ａ）において、熱可塑性樹脂を用い、これを分散媒に分
散して得た熱可塑性樹脂の分散液を強化用繊維材料に含
浸塗工することにより、熱可塑性樹脂でその間隙が均一
に充填被覆された強化用繊維材料が得られるので、最終
製品として得られる繊維強化複合材料中にボイドが発生
するのが防止される。また工程（６）において、工程（
ａ）で得られた、熱可塑性樹脂でその間隙を均一に充填
被覆された強化用繊維材料を熱プレスするので、得られ
る繊維強化複合材料の強度、弾性率等の物性値が向上す
る。特に熱可塑性樹脂被覆強化用繊維材料と熱可塑性樹
脂フィルムとを積層、熱プレスする場合には、熱可塑性
樹脂が強化用繊維材料と熱可塑性樹脂フィルムとの間に
位置し、これらを互いに結び付けるバインダーとしての
働きをするので、最終製品である複合材料の物性値が更
に向上する。

また熱可塑性樹脂の分散液を調製するための分散媒とし
て、無害かつ引火性がなく、しかも安価な水を使用する
ことができるので、製造操作が容易になり、得られた複
合材料のコストも低下する。

［実施例］ 以下、実施例を示して本発明を更に説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。

〈実施例１〉 強化用繊維材料として、カーボンクロス（東しく株）製
炭素繊維布トレカＣｏ　　６３４３、厚み０、２７？＋
１１１、日付２００ｇ／ｌｒｉ’）を用いた。

また熱可塑性樹脂の分散液として、アイオノマーディス
バージョン（三井石油化学工業（株）製ケミバールＳ−
３００、水分散媒中にアイオノマーを濃度３５％で分散
させたもの、粘度１．７ボイズ（２５℃）、粒径０．５
μ）を用い、これに上記カーボンクロスを３０分間浸漬
した後、引き上げ１５０℃で７分間乾燥してアイオノマ
ー被覆カーボンクロスを得た。なおアイオノマーの付着
量は２０重量％であった。

次にこ°のアイオノマー被覆カーボンクロス１２枚と、
熱可塑性樹脂フィルノ、としてのアイオノマーフィルム
（三井デュポンポリケミカル（株）製ハイミラン１６０
１、膜厚１５０μ）１３枚とを交互積層し、１８０℃で
１０に２／ｃＪの圧力下１゜分間熱プレスして繊維強化
複合板（厚み３．６０ｍ、樹脂含量４５重１％）を得た
。

得られた繊維強化複合板についてＡＳＴＭ　　Ｄ−７９
０に基づく曲げ試験を行なったところ、曲げ強度１２に
２／ｍＪ、曲げ弾性率１２４０ｋｇ／ｍＪテあった。こ
れらの値は、アイオノマー被覆処理をしていない強化用
繊維材料１２枚と、アイオノマーフィルム（上述のもの
と材質は同じであるが膜厚３００μのもの）１３枚とを
交互積層し、上述と同一の条件で熱プレスすることによ
り得られた、比較の繊維強化複合板（厚み３．５５ｍｍ
、樹脂含量４２重量％）の曲げ強度５　ｋｆ／ｍｌｌ、
曲げ弾性率４９５ｋｇ／−のほぼ２．５倍の値であり、
本発明による顕著な効果が確認された。

〈実施例２〉 実施例１で調製したアイオノマー被覆カーボンクロス１
枚の上下面にアイオノマーフィルム（三井デュポンポリ
ケミカル（株）製ハイミラン１６０１、厚み９００μ）
を積層した後、１５０℃で１０ｋｔ／−の圧力下１０分
間積層成形して繊維強化複合シート（厚み約２ｍｍ）を
得た。

得られた繊維強化複合シートについてＪＩＳＫ　６８５
４　ニ基づ＜剥離強力（１８０’剥ｍ＞を測定したとこ
ろ、５−４ｋｇ／２５ｍ＋ｎであった。

この値はアイオノマー被覆処理をしていないカーボンク
ロスを用いた以外は同様の方法で得られた比較の繊維強
化複合シートの剥離強力４．１ｋＩｒ／　２５　ｍｍよ
りも２７％高い値であった。

〈実施例３〉 強化用＃ａ繊維料としてガラス・カーボン混繊クロス（
東しく株）製トレカＣｏ　　５６４２、厚み０．３５ｍ
ｍ、目付３４２ｇ／ｒｒｒ）を用いた以外は実施例２と
同様にしてアイオノマー被覆ガラス・カーボン混載クロ
スを得、このクロスの上下面に実施例２と同一のアイオ
ノマーフィルムを積層した後、実施例２と同一の条件下
に積層成形して繊維強化複合シート（厚み約２　ｒａｍ
　）を得な。

得られた繊維強化複合シートにおけるアイオノマーの含
浸状態を示すために撮影された写真について以下に説明
讐る。第１（ａ）図は本実施例で得られた繊維強化複合
シートのカメラ接写写真（倍率３倍）であり、この写真
によれば、格子状の黒色カーボン繊維ストランドの間に
存在するガラスＩＩａ維ストランドに樹脂が十分に含浸
されていてボイドがないので、光が透過し、ガラス繊維
ストランドが透明となり、裏側のカーボン繊維の横スト
ランドが黒く透視される。また第１（６）図は本実施例
で得られた繊維強化複合シートのガラス繊維ストランド
部の顕微鏡写真（倍率５０倍）であり、この写真によっ
ても樹脂のガラス繊維ストランドへの含浸状態が良くボ
イドがないので、ガラス繊維自体に透明感があることが
明らかである。

一方、アイオノマー被覆処理をしていないガラ　−ス・
カーボン混繊クロスを用いた以外は上と同様にして作製
された、比較の繊維強化複合シートの写真について以下
に説明する。第２（ａ）図は比較の繊維強化複合シート
のカメラ接写写真（倍率３倍）であり、この写真によれ
ば格子状の黒色カーボン繊維ストランドの間に存在する
ガラス繊維ストランドに樹脂が十分含浸されておらずボ
イドが多いので、ガラス繊維表面で光が反射して白く見
え、その結果、裏側のカーボン繊維の構ストランドを見
ることはできない。また第２（６）図は比較の繊維強化
複合シートのガラス繊維ストランド部のＭ微鏡写真（倍
率５０倍）であり、この写真によれば、ガラス繊維間に
ボイドがあるため光が乱反射し透過しておらず全体とし
て黒く見えることが明らかである。

［発明の効果Ｊ 以上詳述したように、本発明の繊維強化複合材料の製造
方法では、マトリックス用樹脂として熱可塑性樹脂を用
い、これを分散媒に分散して得た熱可塑性樹脂の分散液
を強化用繊維材料に含浸塗工、乾燥した後に熱ブレスす
るのでボイドの発生がなく、均質で、かつ強度、弾性率
等の諸物性値にも優れた繊維強化複合材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１（ａ）図及び第１（６）図は、本発明により得られ
た繊維強化複合材料の繊維の形状を示す写真、第２（ａ
）図及び第２（６）図は比較の繊維強化複合材料の繊維
の形状を示す写真である。 特許出願人　宇部日東化成株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）（ａ）強化用繊維材料に熱可塑性樹脂の分散液を
   含浸塗工した後、乾燥して熱可塑性樹脂で被覆された強
   化用繊維材料を得る工程、および （６）前記工程（ａ）で得られた、熱可塑性樹脂で被覆
   された強化用繊維材料を、必要に応じて熱可塑性樹脂シ
   ートと組み合せた後、熱プレスして繊維強化複合材料を
   得る工程 を含むことを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。