JPH032226A - ハイブリッドプリブレグ - 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（木明細
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。

【え立且遣 近年、軽績であり、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１例えば引張強度が３　、０ＧＰａ以上、引張
弾性率が４５０ＧＰａ以七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ｌ　
、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
。

が　　しよラ　　る 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！！繊滅のプリプレグとを積層して形成された
層間ｌ＼イブリッドと。

１つの層内に炭素繊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。

前者の層間ハイブリッドは製造は容易であるが、圧縮強
度の増大が未だ十分とは言えない。

又、後者の層内ハイブリッドは、前記層間ハイブリッド
及び通常の炭素繊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、実際の繊維の強さには相当の
バラツキがあり、弱い繊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則に従い、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、従来のハイブリッドプリプレグに関して
、特に層内ハイブリッドプリプレグについて多くの研究
、実験の結果、炭素繊維の領域と異種繊維の領域との接
触面積をできるだけ大きくすることにより、更に具体的
に言えば、１つの層内に炭素＃ａ維の第１の領域と、炭
素繊維と異種繊維とが交互に配置された混合繊維の第２
の領域とを層状に形成し、異種＃ａ謔と炭素繊維との密
着接合程度を増大せしめることにより圧縮強度が飛躍的
に増大し、該圧縮強度をハイブリッド複合則で、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か、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−卜し
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、本発明の目的は、圧縮強度が増大したハイブリ
、ドブリプレグを提供することである。

るための Ｌ足口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トプリプレグ１は、第１
図に図示されるように、１つの層内にて、炭素繊維糸条
２を含む炭素繊維領域３と：炭素繊維糸条２を含む炭素
繊維区画４と１種以上の異種繊維糸条５を含む異種繊維
区画６とを交互に並置して配列された混合繊維領域７と
；を層状に形成し、前記繊維糸条間にマトリクス樹脂８
が含浸されたことを特徴とするハイブリッドプリプレグ
である。

炭素繊維糸条２としては、ビー２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、弾性率２
００ＧＰａ以上とされる高引張強度、高中４Ｒ弾性率の
炭素繊維が使用される。

又、炭素繊維糸条としては、一般に、直径５〜１２βｍ
程度のフィラメントを１０００〜２４０００本集東合糸
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５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；アルミナ繊維：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ｊＪ＆ｔ：はう、
に繊維；カラスｍ維などが挙げられる。好ましくは圧縮
強度１．５ＧＰａ以りとされるｍ雄が使用され、又、繊
維糸条としては、一般に、直径５〜１２１ｍ程度のフィ
ラメントをｔｏｏｏ〜２４０００本集東合糸することに
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８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樹脂、フェノル樹脂などの熱
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、
例えば可撓性材ＪＪ−〜１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
、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に；　　（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繊
維ｌＯＯに対し１００−１５０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
ｉ！ｉｓ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
、限定されるものではないが１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ができる。

製造方法について筒中に説明すると、第２図に図示され
るように、先ず、粘度ｔ　ｏ、ｏ　ｏ　ｏ　ｏ〜５ｏｏ
ｏｏｏポアズとされる熱硬化性マトリクス樹脂８が塗１
紙８ａに厚さ０．０１５〜０．０５０ｍｍにてコートさ
れた第１の樹脂塗工紙１０をドラムＤ上に巻き付は固定
する。

次いで、該樹脂塗上紙１０の上に長繊維の炭素繊維糸条
２を巻き付けて炭素繊維糸条層３ａを形成し、引き続き
該炭素繊維糸条層３ａの一ヒに、長繊維の複数本の炭素
繊維糸条２と、１種以上の複数本の異種繊維糸条５とを
交互に並ｔして巻き付けて混合繊維糸条層７ａを形成す
る。これによって、樹脂塗工紙１０の上に炭素繊維糸条
Ｆｆ３　ａと混合繊維糸条層７ａとが平行に層状をなし
て配列される。

次に、前記混合繊維糸条層７ａを覆うようにして前記第
１の樹脂塗ＥＬ紙１０と同じく、粘度１０ｏｏｏｏ〜５
０００００ポアズとされる熱硬化性マトリクス樹脂８が
塗上紙８ａに厚さ０．ＯＬ５〜０．０５０ｍｍにてコー
トされた第２の樹脂塗上紙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。

木実施例によると、ホットプレス２０は、基台プレー）
２１と、該基台プレー）２１に対面して配置され、上下
動可能のプレスプレート２２とを有する。基台プレート
２１及びプレスプレート２２は内部に電気ヒータの如き
加熱手段（図示せず）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、基台プレート２１上に載と
され、プレスプレート２２にて押圧される。基台プレー
）２１及びプレスプレート２２にて加圧加熱された前プ
リプレグシー）１２は、繊維糸条２．５間にマトリクス
樹脂８が含浸され、プリプレグを形成する。

次いで、基台プレート２１とプレスプレート２２とを離
間させ、該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
イブリー、ドブリプレグ１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　、３
　ｍ　ｍとされ、炭素繊維領域３の厚さ１．は０．０２
５〜０．１５０ｍｍ、混合繊維領域７の厚さｔ２は０．
０２５−０．１５０ｍｍとされる。又、混合繊維領域７
における、炭素繊維糸条２を含む炭素＃ａ雄区画４の輻
Ｗｌと１種以−ヒの異種繊維区画５を含む異種繊維区画
６の輻Ｗ２は、１〜４０　ｍ　ｍとされる。

本発明に従えば、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、又使用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４図及び第５図は１本発明に従った炭素繊維／炭化け
い素糸繊維によるハイブリッドプリプレグ、及び炭素繊
維／アルミナ繊維によるハイブリッドプリプレグのハイ
ブリッド複合剤を表わすグラフである。

第４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、複会則、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１本発明によれば、圧縮強度
はラインＡＥＤ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５図に図示される炭素繊維／アルミナＭｋ維
によるハイブリッドプリプレグのハイブリッド複合剤に
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−ヒに向上した
ものと思われる。

次に、本発明を実施例について説明する。

１呈１」 本発明に係るハイブリッドプリプレグｌを」二記第２図
及び第３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。

炭素繊維糸条２として直径１０７ｍのモノフィラメント
３０００本を集中合糸したストランド（トウ）を使用し
、異種繊維糸条５としては、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
使用した。該炭化けい素糸繊維は直径１５１ｍのモノフ
ィラメント５００本を集中合糸したストランド（トウ）
であった。

方、ドラムワイングーに巻き付けられる樹脂塗上紙ｌＯ
上のマトリクス樹脂８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。

ドラムワインダートに固定された、マトリクス樹脂層の
Ｈさが０．０２５ｍｍとされる樹脂塗−■二紙ｔｏ、Ｉ
−に、上記炭素繊維糸条２を巻き付け、炭素繊維糸条Ｗ
！３ａを形成した０次いで、該炭素繊維糸条層３ａの上
に、上記炭素繊維糸条２が３０００本から成る炭素繊維
糸条群と、上記炭化けい素糸繊維糸条５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は混合繊維糸条層７ａを形成
した。

次いで、前記樹脂塗−Ｌ紙ｌＯと同じ構成の樹脂塗上紙
ｌＯ′を上記混合繊維糸条層７ａ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）１２をドラムワイングーよ
り！Ｊ４離し、ホットプレスにＳｃ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　ｒｎ’、温度は１０５℃であった。

このようにして製造された、第１図に図示する構成とさ
れるハイブリッドプリプレグ１は、厚さｔが０．１ｍｍ
、炭素繊維領域３の厚さｔｌと、混合繊維領域７の厚さ
ｔｌは０−０５ｍｍであった。又、炭素Ｍ＆維区画４の
幅Ｗｌは５．６ｍｍ、異種繊維区画６の輻Ｗ２は２３ｍ
ｍであった。

又、マトリクス樹脂に対する強化繊維の値、つまり含浸
率は、炭素繊維区画３、並びに混合繊維領域７の炭素繊
維区画４及び異種繊維区画６において樹脂／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
成の１２−７１４）Ｘｉ　、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６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１１１２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１■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１バによって評価した。

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１分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は５０Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は９０　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ’であり、歪は０．
６６であった・ 第４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蚊遣」 第７図に図示される如くに、炭素繊維区画４と異種繊維
区画６が交互に配列された構成のハイブリッドプリプレ
グ４０を実施例１と同じ材料を使用し、ドラムワイング
ーとホットプレスを用いて製造した。

つまり、ドラムワイングーにて、炭素繊維糸条２及び異
種繊維糸条５を、第２図に図示されるように配列するの
ではなく、炭素繊維糸条２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５が５００本から成
る炭化けい素糸繊維糸条群とを交互に１つ互いに隣接す
る態様で配列し、これら繊維糸条群を両側より樹脂塗工
紙にて挟持して、前プリプレグシートを形成した。該前
プリプレグシートは、次いで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
ホットプレスの抑圧力は２０Ｋｇ／　ｃ　ｒｎ’、温度
は１０５℃であった。

このようにして製造されたハイブリッドプリプレグ４０
は、厚さｔが０−１ｍｍ、炭素繊維区画４の幅Ｗ３は２
．８ｍｍ、異種繊維区画６の幅Ｗ斗は１．９ｍｍであっ
た。上記構成からも理解されるように、本比較例で使用
された炭素繊維糸条２及び炭化けい素糸繊維糸条５の址
は実施例１と同じとされた。

又、マトリクス樹脂に対する強化ａｍの量、つまり含浸
率は、炭素繊維区画４及び異種繊維区画６の両区画にお
いて樹脂／繊維体積比が４０７６０であった・ 該ハイブリッドプリプレグ４０を２０枚使用し、２０層
構成の１２．７（輻）Ｘｌ、８９（厚）Ｘ１４０　（長
）ｍｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製し、実施例１と
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７０　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｍ’であり、歪は０．４２であった。

第４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。

皿較１」 強化繊維として直径ｌＯμｍのモノフィラメン）３００
０本を集東合糸した炭素繊維ストランド（トウ）のみを
使用した以外は実施例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、荷１４６Ｋｇ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７４　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｒｎ’　テあり、歪は０．２１であった。

ル］ｕ１Ｊ 強化繊維として直径１５Ａｍのモノフィラメント５００
本を集東合糸した炭化けい素糸繊維（日本カーボン株式
会社製、商品名ユニカロン、ＮＬ２０１）を使用した以
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　ｒｒｒ’　Ｔ’あり、歪は１．９０
であった・ 犬ｊ自生ヱ 異種繊維糸条５として、直径１５　）ｔ　ｍのモノフィ
ラメン）１０００本を集東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ｌ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、分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は４０Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は７５　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ″であり、歪は０．６
９であった・ 第５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。

を蚊遣」 異種繊維糸条５として実施例２のアルミナ繊維を使用し
た以外は比較例１と同様にしてハイブリッドプリプレグ
４０を作製し、実施例１と同様にしてテストを行なった
。

テストの結果、荷重３２Ｋｇ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　ｒｎ’であり、歪は０．３６であった。

第５図から、木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。

Ｌ１璽」 強化繊維として実施例２のアルミナ繊維のみを使用した
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、実施例１と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−７りが
入ったが、分断しなかった。このときの曲げ強度は１５
４　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ’であり、歪は１．３３であ
った。

魚１！Ｊｉｂ里 以上の顔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ッドプリプレグの断面
模式図である。 第２図及び第３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４図及び第５図は、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６図は、テスト方法を説明する説明図である。 第７図は、従来のハイブリッドプリプレグの断面模式図
である。 第１図 ２：炭素ｍｌｌｌ１糸条 ３：炭素繊維領域 ４：炭素繊維区画 ５：異種繊維糸条 ６：異種繊維区画 ７：混合繊維領域 ８：・１トリクス樹脂 第２図 第３図 二カロンＶｏＬ比率（％） 第５図 ○ ８゜ アルミナ繊維Ｖｏ（比率（％） 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）１つの層内に、炭素繊維糸条を含む炭素繊維領域と
   ；炭素繊維糸条を含む炭素繊維区画と１種以上の異種繊
   維糸条を含む異種繊維区画とを交互に並置して配列され
   た混合繊維領域と；を層状に形成し、前記繊維糸条間に
   マトリクス樹脂が含浸されたことを特徴とするハイブリ
   ッドプリプレグ。