JPH04222243A - 熱可塑性樹脂含浸型複合補強繊維材料 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱可塑性樹脂をマトリッ
クスとするコンポジットの原材料および成形体に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】熱可塑性樹脂を補強繊維に含浸したプリ
プレグが市販されているが、これらは剛くて織物、組み
物あるいはシート状物を作ることは困難であり造形性に
劣る。またこれらは曲面へのいわゆるテープ・レーイン
グが困難である。一方、熱可塑性樹脂を繊維状、あるい
は粉体にしたりして補強繊維と組み合わせしたフレキシ
ブルな材料も開発されているが、組み合わせ段階で不均
一を生じやすい。このため、マトリックスを補強繊維中
に均一に含浸させ、ボイドのない成形品を確実に得るに
は、含浸成形工程において時間をかけた加圧が必要とな
り、工程コストが高くなるという欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記事情を考
慮してなされたもので、その目的は、テープ・レーイン
グや製織等のテキスタイル加工ができるようなフレキシ
ビリティを有する、繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット
原材料及び成形体用前駆体を提供し、優れた力学特性を
有する成形体の形成を可能にすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成は、複数本の補強繊維モノフィラメント
を熱可塑性樹脂で含浸被覆せしめることによって得られ
る２〜１６００本の複合繊維単位から構成されてなる樹
脂含浸型複合補強繊維ロービングであり、Ｅ・Ｓ・ｍ・
ａ２≦５０の条件式を満たす樹脂含浸型複合補強繊維ロ
ービング又は該ロービングを集合化加工して得られる樹
脂含浸型複合補強繊維構造体、ただし、Ｅ：補強繊維モ
ノフィラメントの伸長弾性率（ｋｇｆ／ｍｍ２）Ｓ：補
強繊維モノフィラメントの断面積（ｍｍ２）ｍ：複合繊
維単位中の補強繊維モノフィラメントの本数（−） ２ａ：複合繊維単位の断面の短径（ｍｍ）および、前記
樹脂含浸型複合補強繊維ロービング又は前記樹脂含浸型
複合補強繊維構造体を、熱可塑性樹脂の融点以上に加熱
又は加圧することによって得られる補強繊維含有成形用
前駆体又は補強繊維含有成形体である。

【０００５】

【作用】以下本発明を図面に基づいて詳細に説明するが
、下記図面は本発明を限定するものではなく、前・後記
の趣旨に徴して変更することは本発明の技術的範囲に含
まれるものである。

【０００６】本発明で用いられる補強繊維としては、ガ
ラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の連続繊維が挙げ
られる。また熱可塑性樹脂としては、ナイロン６、ナイ
ロン６６、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレン
テレフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、
ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリ
エーテルケトン等が挙げられる。補強繊維および熱可塑
性樹脂は特にこれらに限定されるわけではない。

【０００７】図１（ａ），（ｂ）には本発明における複
合繊維単位１の代表例の断面図を示した。複合繊維単位
１はマトリックスとなる熱可塑性樹脂２中に補強繊維モ
ノフィラメント３が含浸被覆されたものである。補強繊
維モノフイラメント３は、複数本の補強繊維からなる繊
維束であり、紡糸工程で集束するのが一般的である。

【０００８】Ｌ１は複合繊維単位断面の長径であり、Ｌ
２は複合繊維単位断面の短径である。複合繊維単位は後
述のような含浸方法では、図１（ａ），（ｂ）のように
帯状、長方形、あるいは楕円形となることが多いが、そ
の形は特に限定されるものではない。

【０００９】本発明においては補強繊維モノフィラメン
トの伸長弾性率をＥ、断面積をＳ、複合繊維単位中の補
強繊維モノフィラメントの本数をｍ、複合繊維単位断面
の短径（すなわちＬ２）を２ａとした時のＥ・Ｓ・ｍ・
ａ２で計算される値が５０以下であることが必要である
。Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ２が５０を超える場合には、生成した
ロービングのフレキシビリティが損なわれ、テキスタイ
ル加工が困難になる。

【００１０】ロービング中の補強繊維モノフィラメント
の体積含有率は、２０〜８０　ｖｏｌ％が好ましい。補
強繊維モノフィラメントが２０　ｖｏｌ％以下の場合に
は補強効果が有効に発揮できず、また８０　ｖｏｌ％以
上になると被覆含浸の際にボイドが発生しやすくなる。 なお、各複合繊維単位中の補強繊維モノフィラメントの
体積含有率も、同様の理由により２０〜８０　ｖｏｌ％
が好ましい。

【００１１】複合繊維単位の製造方法、すなわち複数の
補強繊維モノフィラメントを熱可塑性樹脂で含浸被覆す
る方法は特に規定されないが、たとえば繊維紡糸後に図
２（ａ），図３（ａ）に示したようなダイを用いて行な
う方法が挙げられる。図２（ａ）には複数のノズル孔を
持つノズルダイの断面図を示した。ノズルダイ４は複数
のノズル孔５を持つが、その一つ一つのノズル孔５の中
に複数本の補強繊維モノフィラメント３を通し、同時に
ノズル孔５より溶融熱可塑性樹脂２を一定量押出す。図
２（ｂ）にはこうして得られた複合繊維単位１の断面の
典型例を示した。

【００１２】図３（ａ）にはスリットダイ６の断面図を
示した。スリットダイ６から溶融熱可塑性樹脂２を定量
押出してそのスリット出口部で樹脂を補強繊維モノフィ
ラメント３の列に付与することにより含浸被覆するもの
である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面の一部を
示している。得られた複合繊維単位は、含浸度を上げる
ために加圧ロールを通してもよい。

【００１３】また、本発明における樹脂含浸型複合補強
繊維ロービングは、複数本の複合繊維単位からなってい
るが、該複合繊維単位の本数は２〜１６００でなければ
ならない。複合繊維単位が１本の場合は、複合ロービン
グの可撓性が劣る傾向が大きく、１６００本を超える場
合、ロービングが太くなりすぎてテキスタイル加工が困
難になる。前記複合繊維単位を構成する補強繊維モノフ
ィラメントの本数ｍは前記条件式で決定されるが、通常
は２〜５００本、好ましくは２〜２００本、さらに好ま
しくは２〜１００本である。

【００１４】補強繊維モノフィラメントは熱可塑性マト
リックス樹脂との接着性を増強するため、該フィラメン
ト表面を予め表面処理剤で被覆しておくこともできる。

【００１５】樹脂含浸型複合補強繊維ロービングは、シ
ート化、すだれ化、織布化、編物化、組物化等の集合化
加工により樹脂含浸型複合補強繊維構造体にすることが
できる。

【００１６】こうして得られる前記樹脂含浸型複合補強
繊維ロービング又は該ロービングを集合化加工した樹脂
含浸型複合補強繊維構造体（織物、編物、組物等）を、
被覆した熱可塑性樹脂が溶融する温度まで加熱し、加圧
することによってコンポジットとして成形することがで
きる。成形方法としては、一切制限されないが、例えば
加熱した複合補強繊維ロービングを加圧ロール間又は加
圧ベルト間を通すことによりロッドテープが連続的に成
形される。

【００１７】また適当な太さのロッドやテープを、例え
ば１０ｍｍピッチに切断すれば射出成形や圧縮成形用の
ペレットを作ることができる。前記ロービングをそのま
ま振り落すか又は所定の長さに切断しつつシートを形成
して、該シートを加熱加圧すればいわゆる平板状固形状
のスタンバブルシートを作ることを作ることができる。 また前記ロービングから得られた織布、編布、組物等の
布状物を加熱圧縮すれば平板状の固形シートを作ること
ができる。さらに、本発明によるロービング又はロービ
ングから得られたテープは、これを連続的に加熱しなが
らマンドレルに巻きつけつつ加圧することによっていわ
ゆるフィラメントワインディング成形を行なうことがで
きる。また加熱した多数のロービングを所定形状のダイ
を通しつつ引き抜くことにより、いわゆるプルトルージ
ョン成形を行なうことができる。

【００１８】また他の有力な成形法として、ロービング
またはその切断物をそのまま型上に配置するか、ロービ
ングから得られた布状物を型上に配置し、開放型を用い
て圧縮成形する方法が挙げられる。成形法の一つの変形
として、いわゆる内圧成形の原理を利用して成形するこ
ともできる。例えば図４に示すような中空（管状）の加
熱型７を用い（型７はヒーター８で加熱する）、該ロー
ビング布状物９を型７内に図のように配置し中心部に挿
入したエラストマーチューブ１０（風船）をふくらまし
て加圧する。こうした内圧成形の原理を適用することに
よって円管体のみならず、例えば図５のような繊維強化
樹脂成形体１１の内側に中空部１２を有するＴ字型ステ
イフナーを成形することもできる。

【００１９】本発明によるロービングはコンクリート補
強用として有用である。熱可塑性樹脂が含浸被覆されて
いるので、例えば補強繊維としてガラス繊維を用いる場
合でも、コンクリート中のアルカリ性物質によってガラ
ス繊維の劣化が生じる度合いが著しく改善される。また
本発明のロービングは熱硬化型コンポジット（ＦＲＰ）
の強化材としても有用である。例えば本発明のロービン
グを使用してマット状物を作り、いわゆるレジントラン
スファー成形のプリフォームとして用いることができる
。この場合加熱加圧することによって容易にプリフォー
ムが加工できる。

【００２０】また、ＢＭＣ成形において本発明のロービ
ングを強化材として用いた場合は成形時のガラス繊維等
の補強繊維の切断の度合いが減少し、より強靭な成形品
を得ることができる。また本発明によるロービングの織
物は印刷回路基板としても有用である。例えばポリエー
テルイミドをマトリックス成分とし、低誘電率タイプの
ガラス繊維を使用した本発明ロービングの織物を加熱加
圧して得られる含浸シートはガラス・エポキシ基板より
誘電損失が少ない上に、立体成形ができるというメリッ
トがある。本発明のロービングから得られるチョップド
品は熱可塑性強化型エンプラにおける補強繊維チョップ
ド・ファイバーとして用いることもできる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、マ
トリックスとして熱可塑性樹脂を用いるため、熱硬化型
コンポジット材の場合とは異なって、■キュアリング処
理が不要である■得られた成形物がより強靭である（脆
くない）■材料としてのシェルフライフが極めて長い■
硬化剤やマトリックス液の毒性がなく、さらにこうした
液状物から来る汚れがないという長所を有するので、取
扱の容易な、フレキシビリティに富む樹脂含浸型複合補
強繊維ロービング、樹脂含浸型複合補強繊維構造体およ
び補強繊維含有成形用前駆体を得ることができる。

【００２２】そしてこれらから強靭な補強繊維含有樹脂
成形体を簡単に得ることができるため、種々の用途展開
が可能となった。

【００２３】

【実施例】以下に本発明を実施例により説明するが本発
明はこれらに何ら限定されるものではない。

【００２４】複合繊維単位の製造例 ノズル孔数３２０の白金製ノズルを用いて引き取り速度
２０００ｍ／分でＥガラス繊維を溶融紡糸した。得られ
たガラス繊維の単糸の直径は９μｍであった。こうした
紡糸工程においてノズル下３０ｃｍの糸道の点で８０℃
に加熱した熱硬化型２液型のウレタン混合液をガラス繊
維に０．５　％付与した。さらにその下１ｍの位置で、
スリットダイにて溶融したナイロン６をガラス繊維に付
与し含浸被覆した。ガラス繊維は８本ずつ図３（ｂ）の
ように一列に並べ、スリット孔出口に接触させながらナ
イロン６を付与した。このような複合繊維単位を複数本
例えば４０本集めれば複合ガラス繊維ロービングが得ら
れる。

【００２５】実施例１ 直径１３μｍ、伸長弾性率７２００ｋｇｆ／ｍｍ２のＥ
ガラス繊維モノフィラメント８本ずつをポリプロピレン
樹脂で製造例と同様にして含浸被覆して得られた複合繊
維単位１２０本から構成されたガラス繊維の組成比５５
ｖｏｌ　％の複合ガラス繊維ロービングを製造した。複
合繊維単位の長径は０．０５２　ｍｍ、短径は０．０４
８　ｍｍであり、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ２は０．０１７６であ
った。

【００２６】本ロービングを２０本引き揃え、これを２
２０℃にまで加熱しつつ溝嵌合型の一対の加圧ロール間
を１０ｍ／分の速度で通すことによって圧縮し固化され
た含浸ロッドを１０ｍｍの長さに切断し、ペレット状の
成形材いわゆるロングファイバーエンプラを得ることが
できた。

【００２７】実施例２ 直径１３μｍ、伸長弾性率７２００ｋｇｆ／ｍｍ２のＥ
ガラス繊維モノフィラメント２００本ずつをポリプロピ
レン樹脂で製造例と同様にして含浸被覆して得られた複
合繊維単位８本から構成されたガラス繊維の組成比５５
ｖｏｌ　％の複合ガラス繊維ロービングを製造した。複
合繊維単位の長径は０．４８ｍｍ、短径は０．１０ｍｍ
であり、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ２は０．４８であった。このロ
ービングを実施例１と同様にして、ロングファイバーエ
ンプラを得ることができた。

【００２８】実施例３ 実施例２のロービングを用い、経糸密度２０本／ｃｍ、
緯糸密度１２本／ｃｍの平織物を作った。これを積み重
ねて２１０℃まで加熱した後プレス機を用いて２ｋｇ／
ｃｍ２の圧力で圧縮し冷却した。こうして５０ｃｍ平方
の厚み１．２　ｍｍの平板を得た。本平板はいわゆる深
絞り成形に供することができる。

【００２９】実施例４ 実施例２のロービングを用い、１５ｍｍの長さに切断し
て均一に面上に分布させ１８００ｇ／ｍ２のシートを得
た。該シートを２１０℃まで加熱した後プレス機にて２
ｋｇ／ｃｍ２の圧力で圧縮し冷却した。こうして５０ｃ
ｍ平方の厚さ１．０　ｍｍの平板を得た。本平板はフロ
ースタンビング成形に有用に適用できる。

【００３０】実施例５ 図６に模式的に示すフィラメントワインディング装置１
３を用いて実施例２のロービング１４のフープワインデ
ィングを行ない５ｍ／分の速度で巻き取った。加熱空気
１５の温度は２８０℃のマンドレル１６および圧力ロー
ラ１７に最初に接触する部分の表面材料温度は２１０℃
であった。なおマンドレル１６は１６０℃に加熱されて
いる。こうして表面が平坦なマトリックスがよく含浸さ
れた外径２０ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ１０ｃｍの直管を
得ることができた。

【００３１】実施例６ 図７に模式的に示すシリーズに設置された加熱ダイ１８
、冷却ダイ１９中を２２０℃に加熱した実施例２のロー
ビング６９０本を５ｍ／分の速度で通過させた。加熱ダ
イ１８のブロックの温度は１１０℃、冷却ダイ１９のブ
ロック温度は５０℃に設定されている。かくして５ｍｍ
×１０ｍｍの短形断面の含浸ロッドを得ることができた
。

【００３２】実施例７ 図８に模式的に示す開放型２０の溝２１中に実施例２の
ロービングを挿入し、該ロービングを２１０℃の温度に
加熱して３ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけて冷却することに
より、厚み５ｍｍ、一辺の長さ１００ｍｍの格子の正方
形板状の成形品を得た。図８における溝２１の溝幅は５
ｍｍ、溝深さは２０ｍｍである。

【００３３】実施例８ 伸長弾性率７２００ｋｇｆ／ｍｍ２、直径１３μｍのＥ
ガラス繊維を用いて表１に示す３種類の複合ロービング
を作成した。

【００３４】

【表１】

【００３５】これらを４８スピンドルの丸打ち組機で製
組テストを行なった。その結果、本発明に当たる　Ｎｏ
．１は全くのトラブルなしに製組できたが、本発明外の
　Ｎｏ．２では可撓性がないため、また　Ｎｏ．３は複
合繊維単位の幅（長径）が大きすぎるため製組が困難で
あった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は代表的な複合繊維単位の断面
図である。

【図２】（ａ）はノズルダイ断面図を示し、（ｂ）はノ
ズルダイによって得られる複合繊維単位断面図を示す。

【図３】（ａ）はスリットダイ断面図を示し、（ｂ）は
（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図を示す。

【図４】成形用中空加熱型断面図である。

【図５】中空成形体斜視図である。

【図６】フィラメントワインデイング装置概略説明図で
ある。

【図７】成形装置断面図である。

【図８】成形用開放型平面図である。

【符号の説明】

１　　　　複合繊維単位 ２　　　　熱可塑性樹脂 ３　　　　補強繊維モノフィラメント Ｌ１　　　複合繊維単位の長径 Ｌ２　　　複合繊維単位の短径 ４　　　　ノズルダイ ５　　　　ノズル孔 ６　　　　スリットダイ ７　　　　型 ８　　　　ヒーター ９　　　　ロービング布状物 １０　　　　エラストマーチューブ １１　　　　補強繊維含有成形体 １２　　　　中空部 １３　　　　フィラメントワインディング装置１４　　
　　ロービング １５　　　　加熱空気 １６　　　　マンドレル １７　　　　圧力ローラ １８　　　　加熱ダイ １９　　　　冷却ダイ ２０　　　　開放型 ２１　　　　溝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数本の補強繊維モノフィラメントを
   熱可塑性樹脂で含浸被覆せしめることによって得られる
   ２〜１６００本の複合繊維単位から構成されてなる樹脂
   含浸型複合補強繊維ロービングであり、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ
   ２≦５０の条件式を満たす樹脂含浸型複合補強繊維ロー
   ビング又は該ロービングを集合化加工して得られる樹脂
   含浸型複合補強繊維構造体。 ただし、Ｅ：補強繊維モノフィラメントの伸長弾性率（
   ｋｇｆ／ｍｍ２） Ｓ：補強繊維モノフィラメントの断面積（ｍｍ２）ｍ：
   複合繊維単位中の補強繊維モノフィラメントの本数（−
   ） ２ａ：複合繊維単位の断面の短径（ｍｍ）
2. 【請求項２】
   　　請求項１に記載された樹脂含浸型複合補強繊維ロー
   ビング又は樹脂含浸型複合補強繊維構造体を熱可塑性樹
   脂の融点以上に加熱又は加圧することによって得られる
   補強繊維含有成形用前駆体又は補強繊維含有成形体。