JPH032224A - ハイブリッドプリプレグ - 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】 の１ 本発明は、ハイブリッドタイプの複合材料に関するもの
であり、特に炭素繊維糸条と異種繊維糸条とにて形成さ
れるハイブリッドタイプの炭素繊維プリプレグ（本明細
書では単に「ハイブリッドプリプレグ」という、）に関
するものである。

【釆立且遣 近年、軽量であり、且つ耐熱性、耐水性などの耐環境性
に優れており、しかも機械的特性が良好であるという理
由から、炭素繊維を強化繊維としたプリプレグが注目を
浴びている。

しかしながら、高弾性炭素繊維、特にピッチ系高弾性炭
素繊維は、例えば引張強度が３　、０ＧＰａ以上、引張
弾性率が４５０ＧＰａ以上と言った高引張強度、高引張
弾性率を有しているが、圧縮強度が低く、最高でも１．
０ＧＰａ程度であるという問題を有している。

従って、高弾性炭素繊維を強化繊維として作製された炭
素繊維プリプレグは引張強度、引張弾性率の大きさに比
して圧縮強度が低く、圧縮強度の増大が希求されている
。

か　　　よう 従来、圧縮強度を増大せしめるべく炭素繊維と異種繊維
とを有したハイブリッドプリプレグが提案されており、
現在ハイブリッドプリプレグとしては、炭素繊維プリプ
レグと異種繊維のプリプレグとを積層して形成された層
間ハイブリッドと。

１つの層内に炭素ｍ維の領域と異種繊維の領域を隣接し
て配設して形成された層内ハイブリッドとが考えられて
いる。

このようなハイブリッドプリプレグは、特に層内ハイブ
リッドは１通常の炭素ｍ維プリプレグに比較すると圧縮
強度が相当に増大してはいるが。

実際のｍ維の強さには相当のバラツキがあり、弱いｔａ
維から順に切断するために、その増大程度はハイブリッ
ド複合用に従い、ハイブリッドルールを越えることはな
く、未だに十分であるとは言えなかった。

本発明者らは、上記層内ハイブリッドに関して多くの研
究、実験の結果、炭素＃ａ維の領域と異種Ｈ＆雑の領域
との接触面積をできるだけ大きくすることにより圧縮強
度が増大し、接触面積の設計次第では該圧縮強度が、ハ
イブリッド複会則で、ハイブリッドルールを越える程度
にまで増大せしめ得ることを見出した。

このような現象が発生する理由は明らかではないが、炭
素繊維領域と異種繊維領域との接触面積が増大すること
によって、ハイブリッド効果が予期した以上に向上した
ものと思われる。

本発明は斯る新規な知見に基づきなされたものである。

従って１本発明の目的は、圧縮強度が増大したハイブリ
ッドプリプレグを提供することである。

るだめの 上記目的は本発明に係るハイブリッドプリプレグにて達
成される０本発明のハイブリッドプリプレグｌは、第１
図に図示されるように、炭素繊維糸条２ａを含む炭素繊
維領域２と、１種以上の異種繊維糸条４ａを含む異種ｍ
線領域４とを交互に並置して配列し、繊維糸条２ａ、４
ａ間にマトリクス樹脂６が含浸された所定Ｈさ（１）を
有しており、しかも、前記炭素ｍ線領域２と前記異種繊
維領域４とは厚さ方向に対して傾斜した面８にて接する
ようにしたことを特徴とするハイブリッドプリプレグと
される。

炭素ｍ維糸条２ａとしては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ
系炭素炭素繊維−ヨン系炭素繊維を使用することができ
るが、好ましくは引張強度２゜０ＧＰａ以上１弾性率２
００ＧＰａ以上とされる高引張強度、高引張弾性率の炭
素ｍ雑が使用される。又、炭素繊維糸条としては、一般
に、直径５〜１２．ｇｍ程度のフィラメントを１０００
〜２４０００本集束合糸することにより形成された炭素
繊維ストランド（トウ）が使用される。

異種繊維糸条４ａとしては、炭素繊維より大きな圧縮強
度を有する繊維なら任意のものを使用することができ、
例えば炭化けい素糸繊維；アルミナ繊誰；チタン、鋼、
ステンレス鋼、ベリリウム、タングステン、モリブデン
などの金属繊維：はう素繊維；ガラス繊維などが挙げら
れる。好ましくは圧縮強度１．５ＧＰａ以上とされる繊
維が使用され、又、繊維糸条としては、一般に、直径５
〜１２．ｕｍ程度のフィラメントを１ｏｏｏ〜２４００
０本集束合糸することにより形成されたストランドが使
用される。

前記炭素繊維糸条及び異種繊維糸条から成る強化繊維に
含浸されるマトリクス樹脂６としては。

エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン
樹脂、ジアリルフタレートｍｓ、フェノール樹脂などの
熱硬化性マトリクス樹脂が使用可能であり、更に硬化温
度が５０〜１５０℃となるように硬化剤その他の付与剤
、例えば可撓性付与剤などが適当に添加される。

好ましい一例を挙げれば、マトリクス樹脂としてはエポ
キシ樹脂が好ましく、使用可能のエポキシ樹脂としては
１例えば、（１）グリシジルエーテル系エポキシ樹脂（
ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ系エポキシ樹脂、ノボラック
系エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ系エポキシ樹
脂）；　（２）環式脂肪族エポキシ樹脂：　（３）グリ
シジルエステル系エポキシ樹脂；　（４）グリシジルア
ミン系エポキシ樹脂；　（５）複素環式エポキシ樹脂；
その他種々のエポキシ樹脂から選択される１種又は複数
種が使用され、特に、ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓグリシ
ジルアミン系エポキシ樹脂が好適に使用される。又、硬
化剤としてはジアミノジフェニルスルフォン（ＤＤＳ）
、ジアミノジフェニルメタン（ＤＤＭ）等が好適に使用
される。

強化繊維に対し標準的なマトリクス樹脂の重量を強化縁
Ａｌ１００に対しｌＯＯ〜１５０とすることにより製造
するか、又はマトリクス樹脂を種々に混合し、その割合
を適当に調合することにより製造される。

又、このような本発明に係るハイブリッドプリプレグは
通常の炭素繊維プリプレグと同じようにドラムワインダ
ー及びホットプレスを利用することによって好適に製造
することかでさる。

この製造方法について簡単に説明すると、第２図に図示
されるように、先ず、粘度１０００００〜５０００００
ポアズとされる熱硬化性マトリクス樹脂６が１１１１．
１紙６ａに厚す０　、０１５〜０　、０５０　ｍ　ｍに
てコートされた第１の樹脂塗工紙ｌ。

をドラムＤ上に巻き付は固定する。

次いで、該樹脂塗工紙ｌＯの上に長繊維の複数本の炭素
！ｌＡ維糸条２ａと、１種以上の複数本の異種ＭＡ！ｉ
糸条４ａとを交互に並置して巻き付ける。

これによって、樹脂塗工紙ｌＯの上に炭素ｔａ＃ｎ糸条
群と異種繊維糸条群とが互いに隣接して配列される。引
き続いて、荊記炭素繊維糸条群と異種繊維糸条群とを覆
うようにして前記第１の樹脂塗工紙１０と同じく、粘度
１０００００〜５０００００ポアズとされる熱硬化性マ
トリクス樹脂６が塗工紙６ａに厚さ０．０１５〜０．０
５０ｍｍにてコートされた第２の樹脂塗工紙１０′が巻
き付けられ、前プリプレグシート１２を形成する。

このようにして作製された前プリプレグシート１２は、
ドラムＤより剥離され、第３図に図示されるようなホッ
トプレス２０にもたらされる。

本実施例によると、ホットプレス２０は、基台２１の上
にコロ２２を介して移動自在に相持された可動のプレー
ト２３と、該可動プレート２３に対面して配置され、上
下動可能のプレスプレート２４とを有する。可動プレー
ト２３及びプレスプレート２４は内部に電気ヒータの如
き加熱手段２３ａ、２４ａを備え、所望の温度に維持さ
れている。

前プリプレグシート１２は、第３図及び第４図に図示さ
れるように、前記可動プレート２３上に載置され、次い
でプレスプレート２４にて押圧される。可動プレート２
３及びプレスプレート２４にて加圧加熱された前プリプ
レグシート１２は、ｍ！ｌ糸条２ａ、４ａ間にマトリク
ス樹脂６が含浸され、炭素繊維領域２と異種繊維領域４
とが互いにｔＸして配列されたハイブリッドプリプレグ
１２ａが形成される。

本実施例によれば、第４図に図示されるように、可動プ
レート２３及びプレスプレート２４にてプリプレグ１２
ａを挟持したまま、コロ２２の作用により可動プレート
２３をプレスプレート２４に対して本実施例では左側へ
と距離Ｓだけ移動させる。これにより、第５図に図示さ
れるように、プリプレグ１２ａの両面は互いに反対方向
に引っ張られ、互いに並置して配列された炭素繊維領域
２と異種繊維領域４とは傾斜面８で接触する・ように変
形される。すなわち、炭素ａｍ領域２と異種ＭＡ維領領
域との接触面積は増大される。

次いで、ｆＸＴ動プレート２３とプレスプレート２４と
を離間させ、プリプレグを取り出し、所定温度まで冷却
することにより第１図に図示されるような本発明に係る
ハイブリッドプリプレグｌが製造される０通常、ハイブ
リッドプリプレグ１は、厚さｔが０．０５〜０．３ｍｍ
とされ、炭素繊維領域２の輻ｗ１と異種繊維領域８の輻
ｗ２は、１〜１０ｍｍとされ、内領域の接触傾斜面８の
傾斜ｌｓは１〜５　ｍ　ｍとさレル。

なお、圧縮強度が、ハイブリッド複会則で、ハイブリッ
ドルールを越える程度にまで増大せしめるためには、木
発明者らの研究実験の結果によると、Ｓ／ｌが少なくと
も１以上であることが必要であることが分った。

本発明に従えば、内領域の傾斜面の傾斜１（Ｓ／１）の
大きさの外に、使用される炭素繊維及び異種繊維の、物
性及び混合割合、更にはマトリクス樹脂に対する含浸率
を変えることにより、又使川されるマトリクス樹脂の組
成物配合割合を種々に変えることにより種々の圧縮強度
、引張強度、引張弾性率、更には靭性を提供するハイブ
リッドプリプレグが作製される。

第６図及び第７図は１本発明に貸った炭素ａｍ／炭化け
い素糸繊維によるハイブリッドプリプレグ、及び炭素繊
！ＩＩ／アルミナｊａ雄によるハイブリッドプリプレグ
のハイブリッド複合地を表わすグラフである。

第６図を参照すると、炭素繊維の強度はラインＡＢで示
され、炭化けい素糸繊維の強度はラインＣＤで示される
。従って、複合地、即ちハイブリッドラインはラインＡ
ＥＤで表わされる。

従来の炭素繊維／炭化けい素糸繊維によるハイブリッド
プリプレグではハイブリッドライン以上の強度を達成す
ることは不可能であったが、本発明によれば、Ｓ／ｌを
少なくともｌ以上とすることにより圧縮強度はラインＡ
ＥＤで囲包された斜線部分に位置するまで増大させるこ
とができた。

これは、第７図に図示される炭素繊維／アルミナ繊維に
よるハイブリッドプリプレグのハイブリッド複会則にお
いても同様であった。

この理由は、上述したように、必ずしも明らかではない
が、炭素繊維と異種繊維との接触面積が増大することに
よって、ハイブリッド効果が予期した以上に向上したも
のと思われる。

次に、本発明を実施例について説明する。

υ０口 本発明に係るハイブリッドプリプレグ１を上記第２図〜
第５図に関連して説明したドラムワイングーとホットプ
レスを用いて製造した。

炭素１ａ維糸条２ａとして直径１０７７ｍのモノフィラ
メント３０００本を集束合糸したストランド（トウ）を
使用し、異種繊維糸条４ａとしては、炭化けい素系繊！
Ｉ（日本カーボン株式会社製、商品名コニカロン、ＮＬ
２０１）を使用した。該炭化けい素糸繊維は直径１５β
ｍのモノフィラメント５００本を集束合糸したストラン
ド（トウ）であった。

一方、ドラムワイングーに巻き付けられた樹脂塗工紙１
０上のマトリクス樹脂６は、油化シェルエポキシ株式会
社製のビスフェノールＡ系エポキシ樹脂ＥＰ８２８　（
商品名）／ＥＰ１００Ｉ（商品名）を５０　ｇ　ｒ　／
　５０　ｇ　ｒ、硬化剤としてジシアンジアミド４　、
２　ｇ　ｒ、　ＤＣＭＵ　（Ｎ−３，４ジクロロフェニ
レンＮ′−ジメチルウレア）４゜２ｇｒを含有したもの
であった。

ドラムワイングー上に固定された、マトリクス樹脂層の
厚さが０．０２５ｍｍとされる樹脂塗工紙１０ヒに、上
記炭素繊維糸条２ａが３０００本から成る炭素繊維糸条
群と、炭化けい素糸繊維糸条４ａが５００本から成る炭
化けい素糸繊維糸条群とを交互に且つ互いに隣接する態
様で配列して巻き付けた。

次いで、前記樹脂塗工紙ｌＯと同じ構成の樹脂塗工紙１
０′を上記炭素繊維糸条群と炭化けい素糸繊維糸条群を
覆って巻き付け、厚さＯ，１５ｍｍの前プリプレグシー
ト１２を製造した。

次いで、前プリプレグシート１２をドラムワイングーよ
り剥離し、ホットプレスに装着して加圧加熱した。この
ときのホットプレスの押圧力は２０　Ｋ　ｇ　／　ｃば
、温度は１０５℃であった。又、可動プレート２３の移
動１ｓは約２　ｍ　ｍであった。

本実施例により製造されたハイブリッドプリプレグｌは
、厚さｔがＯ，１ｍｍ、炭素繊維領域２の輻Ｗｌは２．
８ｍｍ、異種繊維領域４の輻ｗ２は１．９ｍｍ、内領域
の接触傾斜面８の傾斜Ｉｓは１．５ｍｍであった。従っ
て、Ｓ／ｌは１５であった。

又、マトリクス樹脂に対する強化繊維の量、っまり含浸
率は、炭素繊維領域？及び異種繊維領域４の内領域にて
樹脂／繊維体積比が４０／６０であった。

該ハイブリッドプリプレグ１を２０枚使用し、２０層構
成＋７）１２．７（輻）Ｘｌ、８９（厚）×１４０（長
）ｍｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製した。

テストは、第８図に図示されるように、テスト片Ｔを両
端２箇所３０で支持し、中央部２箇所より負荷Ｐをかけ
、テスト片Ｔを屈曲させた。テスト片Ｔの引張側で初期
破断が起これば引張強度を、圧縮側で初期破断が起これ
ば圧縮強度を推定することができる。圧縮強度は、テス
ト片の圧縮側にクラックが入り応力が低下する点の曲げ
強度によって評価した。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが、分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は５４Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は９５Ｋｇ／ｍｍ’であり、歪は０．９２であった
。

第６図から、本発明のハイブリッドプリプレグは、ハイ
ブリッドルール（ラインＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を有
していることが分る。

Ｌ笠１」 ホットプレス加工時に可動プレート２３の移動にＳをＯ
とした以外は実施例１と全く同じ材料及び方法にてハイ
ブリッドプリプレグを作製し、同様にしてテストを行な
った。

テストの結果、荷重４０Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は７０Ｋｇ／ｍｍ’
であり、歪は０．４２”ｔ’あった。

第６図から１本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ）を
有していることが分る。

匿紋上」 強化繊維として直径１０．ａｍのモノフィラメン）３０
００本を集束合糸した炭素繊維ストランド（トウ）のみ
を使用し、且つホットプレス加工時に可動プレート２３
の移動量Ｓを０とした以外は実施例１と同様にして炭素
繊維プリプレグを作製し、同様にしてテストを行なった
。

テストの結果、５１４６Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は７４Ｋ　ｇ／ｍゴ
であり、歪は０．２１−ｔ？あつた。

ルｍ 強化ｉａｍとして直径１５．ａｍのモノフィラメント５
００本を集束合糸した炭化けい素糸繊維（日本カーボン
株式会社製、商品名コニカロン、ＮＬ２０１）を使用し
、且つホットプレス加工時に可動プレート２３の移動量
ｓｈｏとした以外は実施例１と同様にして炭化けい素繊
維プリプレグを作製し、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重９５Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが、分断しなかった。このときの曲げ強度は１８０
　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ”であり、歪は１．９０であっ
た。

χｊ１ロ九 ヱ種ｍｒｉｒｉ糸条として、直径１５μｍのモノフィラ
メントｔｏｏｏ本を集束合糸したアルミナ繊維（住友化
学株式会社製、商品名：５Ｎ−１０）を使用した以外は
実施例１と同様にしてハイブリッドプリプレグを作製し
、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが１分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は４５　Ｋ　ｇ’であり、このとき
の曲げ強度は８５　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ’　テあり、歪
は１．０３であった。

第７図から、本発明のハイブリッドプリプレグは、ハイ
ブリッドルール（ラインＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を有
していることが分る。

瓜狡迩」 ホットプレス加工時に可動プレート２３の移動５Ｂｓを
０とした以外は実施例２と全く同じ材料及び方法にてハ
イブリッドプリプレグを作製し、同様にしてテストを行
なった。

テストの結果、荷１３２Ｋ［にて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は６０　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｔｎ’　テあり、歪は０．３６であった。

第７図から、本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ）を
有していることが分る。

Ｌ狡迩」 強化ｍ雑として直径１５ＪＪｍのモノフィラメン）１０
００本を集束合糸したアルミナ繊維（住友化学株式会社
製、商品名：５Ｎ−１０）を使用し、且つホットプレス
加工時に可動プレート２３の移動ＩｓをＯとした以外は
実施例１と同様にしてアルミナ繊維プリプレグを作製し
、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重７８Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが、分断しなかった。このときの曲げ強度は１５４
Ｋｇ／ｍｍ’であり、歪は１．３３であった。

＆」Ｌｎ」Ｌ里 以上の如くに構成される本発明に係るハイブリッドプリ
プレグは、圧縮強度が増大するという特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るハイブリー、ドブリプレグの断
面模式図である。 第２図〜第５図は、本発明に係るハイブリッドプリプレ
グの一つの製造法を説明する図である。 第６図及び第７図は１本発明に係るハイブリッドプリプ
レグのハイブリッド複合剤を説明するグラフである。 第８図は、テスト方法を説明する説明図である。 ２：炭素ｍ維領域 ２ａ：炭素ｍ＃Ｉ糸条 ４：異種繊維領域 ４ａ：異種繊維領域 ６：マトリクス樹脂 ８：接触傾斜面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）炭素繊維糸条を含む炭素繊維領域と、１種以上の異
   種繊維糸条を含む異種繊維領域とを交互に並置して配列
   し、繊維糸条間にマトリクス樹脂が含浸された所定厚さ
   を有したハイブリッドプリプレグにおいて、前記炭素繊
   維領域と前記異種繊維領域とは厚さ方向に対して傾斜し
   た面にて接することを特徴とするハイブリッドプリプレ
   グ。