JPH02286323A - 樹脂系繊維強化複合材料 - 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、比強度、比弾性率が大であることを要求され
る用途に好適な樹脂系繊維強化複合材料に関する。更に
詳しくは、大きな比曲げ強度及び比０曲げ弾性率が要求
される用途に好適な樹脂系繊維強化複合材料に関する。

〔従来の技術〕

いわゆる先進複合材料の分野では、強度、弾性率、及び
これらを比重で除した比強度、比弾性率の大きな材料が
望まれている。特に近年では、航空・宇宙産業の発達は
顕著であり、また電気・電子産業、自動車産業等におい
ても、軽量かつ高温での使用に耐える材料の必要性が増
している。繊維強化複合材料はこうした要請に応えるた
めの有用な材料であり、なかでも、樹脂系の繊維強化複
合材料、いわゆる繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰ
という）はその軽量性を生かして比剛性に優れた材料と
して有用とされている。

一般にＦＲＰの成形には種々の方法が採られており、用
いる強化繊維の長さも様々で、それぞれ用途に応じた成
形が行われている。長繊維を用いたＦＲＰを製造する方
法としても、ハンドレイアップ、フィラメントワインデ
ィング、プリプレグクロス等の方法があるが、いずれの
方法も強化用繊維にマトリックス樹脂を含浸させて成形
することが必須の条件となっており、要求される特性や
生産個数等によって好適な生産方法が選択されている。

こうして生産されるＦＲＰの強度、弾性率、衝撃強度と
いった力学的特性は、多分にその強化の目的で用いられ
る繊維の長さや充填率によって左右されることになり、
−船釣には、充填率を上げれば力学的特性もそれにつれ
て向上させることができる。しかしながら、通常このよ
うな目的に使用される強化用碑維はマトリクス樹脂に比
べてその比重は大きいものであるため、むやみに繊維の
充填率を高くすることは複合化後の成形品の比重を大き
くすることにつながり、ＦＲＰの特長の−っである軽量
性を損なうことにもなりかねない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、従来の樹脂系繊維強化複合材料の上述
した問題点を解決し、強化用繊維による補強が効果的に
施された樹脂系繊維強化複合材料を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、かかる実情に鑑み鋭意研究を重ねた結果
、前記目的を達成することを見出し、本発明を完成した
。

即ち、本発明は、マトリックス樹脂（Ａ）、及び長繊維
からなる強化用繊維（Ｂ）を必須とする樹脂系繊維強化
複合材料において、成形体の肉厚のうち表面からの１／
３に相当する厚みを有する両表面層中に含まれる強化用
繊維（Ｂ）の体積含有率ａと材料全体に含まれる強化用
繊維（Ｂ）の体積含有率すとがａ　／　ｂ≧１．０５を
満足するように前記強化用繊維（Ｂ）が配置された構造
からなる樹脂系繊維強化複合材料を内容とするものであ
る。

本発明に用いられるマトリックス樹脂（Ａ）としては、
熱硬化性樹脂、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混合し
た樹脂が挙げられる０本発明に用いられる熱硬化性樹脂
は、熱、光、電子線などの外部からのエネルギーにより
硬化して、少なくとも部分的に三次元硬化物を形成する
樹脂であれば特に限定されない。

好ましい熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、マレイ
ミド樹脂、ポリイミド樹脂の他、ビニル末端、アセチレ
ン末端、アリル末端、ナジνり酸末端あるいはシアン酸
エステル末端を存する樹脂が挙げられる。これらは、一
般にこれら樹脂自身を混合して用いることもできるし、
適宜、硬化剤や硬化触媒と組み合わせて用いることもで
きる。

本発明に用いるマトリックス樹脂（Ａ）として、上記の
熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を混合して用いることも好
適である０本発明に好適な熱可塑性樹脂としては、ポリ
アクリレート、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボ
ネート、ボリアリレート、ポリフェニレンスルフィド、
ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
ヘンズイミダゾールのようなエンジニアリングプラステ
ィックが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、ポリマ
ーを用いても、やや分子量の低いオリゴマーを用いても
よく、熱硬化性樹脂と反応し得る官能基を末端または分
子鎖中に有するオリゴマーも好ましい。

熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合物は、熱硬化性樹脂
を単独で用いた場合より良好な結果を与えることもある
。これは、熱硬化性樹脂が一般に脆い欠点を有しながら
低圧成形が可能であるのに対して、熱可塑性樹脂が一般
には強靭である利点を持ちながら低圧成形が困難である
という特性を持つため、これらを混合して用いることに
より物性と成形性のバランスをとることができるためで
ある。

本発明に用いられる強化用繊維（Ｂ）としては、一般に
先進複合材料として用いられる耐熱性及び引張強度の良
好な繊維が挙げられる０例えば炭素繊維、黒鉛繊維、有
機繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、タ
ングステンカーバイド繊維、ガラス繊維が挙げられる。

このような強化用繊維は、ただ一種類のものを使用して
もよいし、異なる種類のものを２種以上組み合わせて使
用してもよい、得られる複合材料の特性は、強化用繊維
の材質、形状により異なるが、強化用繊維の材質いかん
にかかわらず、繊維の長さが長くなるにつれて同量の繊
維による強化効果は高まるため、高い強化効果を得るた
めには連続繊維を主体とした使用が好ましい。

本発明において、上記の如き連続繊維を使用する際には
繊維の配列方向が重要となる。一般に、繊維による強化
の効果は、繊維軸方向について最大の効果を得ることが
できるもので、その直角方向についてはあまり大きな効
果は期待できないのであるが、ある単一の方向について
のみの補強を望む場合は、実質的に屈曲を有しないまっ
すぐな繊維を互いに平行かつシート状に引き揃えること
が最も効果的な方法である。また、このようなシート状
の繊維は角度をずらして積層することにより、複数の方
向についての補強を行うこともできる。一方、特に定ま
った方向についての補強を望まず、全ての方向にほぼ均
等な補強を施したい場合には、実質的に連続な繊維をス
ワールマット状にして用いることが好ましい。

本発明の樹脂系繊維強化複合材料の特徴は、上述、のよ
うな構成要素を用いる際に、材料の力学的特性、特に曲
げ特性を向上させるため材料の表面近傍と中心近傍とで
異なった補強構造、すなわち表面近傍層の剛性を中心近
傍層の剛性よりも高める補強構造としたことにある。

材料に対して曲げ応力が加えられた場合、その剛性は中
心層の剛性よりも表面層の剛性がより支配的に関係する
０本発明によれば、材料の肉厚の１／３に相当する厚み
を有する両表面層中に含まれる繊維含有率を他の部分（
残り中心層の１／３の部分）よりも高めることになるが
、それによって表面層の剛性を確保し、かつ材料全体と
してみれば繊維の含有率をより低く抑えるこζができる
ため、材料の比重を軽減することができる。

本発明において、成形体の両表面からそれぞれ１／３に
相当する厚みを有する両表面層中に含まれる強化用繊維
の体積含有率ａと材料全体に含まれる強化用繊維の体積
含有率すとの関係はａ　／　ｂ≧１．０５である。更に
ａ　／　ｂの比は１，０５から１゜５の範囲であること
が好ましい。ａがこれよりも相対的に小さくなると、材
料の比重軽減効果が実質的に無意味なものになってしま
うためである。

また、このような目的を十分に果たすためには、より表
面に近い部分の繊維含有率をより高めることが好ましく
、繊維含有率の高い層を肉厚のｌ／３よりも中心に近い
部分に配置してもその効果は得られにくい、成形体が三
角形、四角形、その地条角形あるいは円形等の中空棒状
体等の場合は、外側１／３の厚み層の体積含有率ａと材
料全体に含まれる体積含有率すとの間にａ　／　ｂ≧１
．０５の関係があればよぐ、内側表面層１／３厚みの体
積含有率ａは特に問題にならない。

本発明において、表面層中に含まれる繊維の体積含有率
を材料全体に含まれる繊維の体積含有率よりも高める方
法には特に制限はないが、繊維は互いに平行に引き揃え
ることによってより密に充填することができるため、表
面層に存在する強化用繊維を前述のように実質的に屈曲
を有しないまっすぐな繊維を互いに平行かつシート状に
引き揃えた状態にすることは有効な手段となる。

一方、実質的に連続な繊維をスワールマット状にして中
心層近傍に配置することは、材料の補強が一定の方向だ
けに偏ったものにならないようにする効果があり、この
ような方法を採るのもまた有効な手段となる。

本発明における強化用繊維の使用量には特に制限はない
が、本発明の効果を十分に利用するためには、材料全体
に含まれる強化用繊維の体積含有率が１０〜７０％であ
るのが好ましく、特に好ましくは２０〜６０％である。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例、比較例を挙げて更に具体的に説
明するが、本発明はこれらにより何等制限を受けるもの
ではない。

用いたマトリックス樹脂（Ａ）及び強化用繊維（Ｂ）は
下記の通りである。

マトリックス樹脂（Ａ）： ・ビスフェノールＡジグリシジルエーテル型エポキシ樹
脂・・・油化シェルエポキシ■製「エピコート８２８Ｊ
　　（以下、Ｅ８２８と略記） ・無水メチルナジック酸・・・日立化成■製「無水メチ
ルハイミック酸」　（以下、ＭＮＡと略記） ・ベンジルメチルイミダゾール・・・油化シェルエポキ
シ■製ｒＢＭＩ−１２Ｊ　　（以下、ＢＭｌと略記） 強化用繊維（Ｂ）： ・ロービングマットＡ・・・日東紡■製［ラミマットＪ
のロービングマット層部を部分使用。

目付量６００ｇ／ポ ・ロービングマットＢ・・・日本板硝子■製「マイクロ
グラスロービング」を同方向に引き揃えて作製、目付１
３００　ｇ／ポ ・スワールマットＡ・・・旭ファイバーグラス■製「コ
ンティニュアスストランドマント」。

目（４１６００ｇ／ｒｄ ・スワールマットＢ・・・旭ファイバーグラス■製「コ
ンティニュアスストランドマット」。

目付量３００ｇ／ポ 実施例１．２及び比較例１．２ それぞれの強化用繊維基材に表１に示すような組成から
なるマトリックス樹脂を充分に含浸させた後、表２に示
すような積層構成で加熱プレスにて１３０℃、６０分の
プレス成形を行い、２００■Ｘ１００閤Ｘ３ａｍの成形
品を得た。

実施例１．２及び比較例１．２において作製した樹脂系
繊維強化複合材料について特性試験を行った。結果を表
３に示す。

実施例３．４及び比較例３．４ それぞれの強化用繊維基材に表１に示すような組成から
なるマトリックス樹脂を充分に含浸さセた後、表４に示
すような積層構成で加熱プレスにて１３０℃、６０分の
プレス成形を行い、１００閤Ｘ１００ｍＸ１．５閣の成
形品を得た。

実施例３．４及び比較例３．４において作製した樹脂系
繊維強化複合材料について特性試験を行った。結果を表
５に示す。

尚、上記実施例及び比較例における各材料のａ及びｂの
数値は以下のようにして算出した。

（実施例） １）材料の断面観察により、ロービングマット含有層の
厚みｄｒ（ｃｍ）及びスワールマット含有層の厚みｄｓ
（ｃ寵）を測定する。

２）ロービングマット含有層の繊維体積含有率Ｖｒ及び
スワールマット含有層の繊維体積含有率■Ｓを次式によ
り算出する。

Ｖｒ＝　（ロービングマット含有層中の繊維目付量（ｇ
／ｄ）　／繊維の密度（ｇ／ｃｊ）　）　／ｄｒＶｓ−
１スワ一ルマツト含有層中の繊維目付量（ｇ／ｃｄ）　
／繊維の密度（ｇ／ｃｄ）　）　／ｄｓ３）ａ及びｂを
次式により算出する。

ｂ−（材料全体中の繊維目付！　（ｇ／ｄ）　／繊維の
密度（ｇ／ｃｊ）　ｌ　／ｄ （ｄ；材料の肉厚） （比較例） ａ−ｂ−（材料全体中の繊維日付！　（ｇ／ｃｄ）／繊
維の密度（ｇ／ｃｊ）　ｌ　／ｄ 表１．マトリックス樹脂の組成 〔発明の効果〕 上記の通り、本発明の樹脂系繊維強化複合材料は、優れ
た力学的特性と軽量性を兼ね備えた材料である。また、
用いる強化材を適宜選択することによって様々なレベル
の特性設定も可能であり、先進複合材料の分野での幅広
い応用が期待できる。

特許出願人　鐘淵化学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス樹脂（Ａ）及び長繊維からなる強化用
   繊維（Ｂ）を必須とする樹脂系繊維強化複合材料におい
   て、成形体の肉厚のうち表面からの１／３に相当する厚
   みを有する両表面層中に含まれる強化用繊維（Ｂ）の体
   積含有率ａと材料全体に含まれる強化用繊維（Ｂ）の体
   積含有率ｂとがａ／ｂ≧１．０５を満足するように前記
   強化用繊維（Ｂ）が配置された構造からなる樹脂系繊維
   強化複合材料。 ２、材料の肉厚の１／３に相当する厚みを有する両表面
   層中に含まれる強化用繊維（Ｂ）が、実質的に屈曲を有
   しないまっすぐな繊維を互いに平行かつシート状に引き
   揃えられた状態で存在する請求項１記載の樹脂系繊維強
   化複合材料。 ３、材料の肉厚の１／３に相当する厚みを有する中心層
   中に含まれる強化用繊維（Ｂ）が、実質的に連続な繊維
   をスワール状にした状態で存在する請求項１又は２記載
   の樹脂系繊維強化複合材料。