JPH05104571A - 繊維強化樹脂製品とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 繊維強化樹脂における繊維強化材の設計の自
由度を向上させる。 【構成】 中子に２種以上のロービング、テープ、ヤー
ン、モノフィラメトあるいはクロス等の形態の繊維をフ
ィラメントワインディング法で巻き付けて形成した繊維
予備成形体を金型のキャビティ内にセットして、ＲＩＭ
ナイロンもしくはシクロペンタジエンを反応射出成形で
上記繊維予備成形体に含浸させて、所要の形状の成形品
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィラメントワインデ
ィング法(以下、ＦＷ法と略す)で成型した繊維を強化繊
維とする繊維強化樹脂製品およびその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、繊維強化材として連続繊維を用
い、マトリクス樹脂を反応射出成形法で成形する連続繊
維強化樹脂においては、繊維強化材としてブレード(編
組)、クロスあるいはテープ等が用いられている。 この種の繊維強化樹脂で、 複数種の繊維を混合した繊維
強化材を得ようとした場合、 それぞれの繊維種のブレー
ドを別個に用意して、 それを積層する方法が採られてい
る。即ち、図４に示すように、マンドレル１に繊維種Ａ
のブレード２を巻き付けた後、別種の繊維種Ｂのブレー
ド３を巻き付け、この異なるブレード２,３を積層して
成型した繊維強化材を金型のキャビティ内に配置し、該
キャビティ内にＲＩＭナイロンあるはシクロペンタジエ
ンを注入して反応射出成形法により繊維強化樹脂を成形
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなブレード
を積層して繊維強化材を成型する場合、製品の剛性、弾
性率、耐衝撃性、重量、肉厚、振動吸収性およびその他
の機能を設計しようとした場合、異種繊維の混合比を、
ブレード層の目付け量(単位長さ当たりの繊維量)もしく
は夫々の種類の繊維の積層枚数でしか制御出来ず、 設計
の自由度が小さくなる問題がある。

【０００４】また、別種のブレードを内層から外層へと
積層して複数種の繊維を混合した場合、図５に示すよう
に、例えば、外層側に配置する繊維として平滑性を重視
して強度の小さい繊維３を配置した場合、外層側の強度
が弱くなる。即ち、内層から外層にわたる肉厚全体に均
一な強度を与えることが出来ず、厚さ方向において強度
の差が生じる。よって、例えば、外層の表面側に平滑性
および高強度の両方の機能を付与したい場合には、その
要望を満たすことが困難となる。

【０００５】本発明は上記したブレードの積層による複
数種の繊維を用いる場合に生じる問題を解消せんとする
もので、異種類の繊維の混合比を任意に制御できると共
に、内層から外層にわたって肉厚全体に均一な機能が要
求される場合には、その要求を満たすことが出来るよう
にすることを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はＦＷ法により繊維予備成型体を設けること
を特徴とし、ＦＷ法によりマンドレルに取り付けた中子
に連続繊維強化材の巻き付けて内層より外層へと順次積
層していくことにより、任意の繊維を任意の量だけ任意
の位置に分布させることを可能として、繊維強化材の設
計の自由度を向上させることを特徴としている。

【０００７】即ち、本発明は、２種以上のロービング、
テープ、ヤーン、モノフィラメントあるいはクロス等の
形態の繊維をフィラメントワインディング法で巻き付け
て形成した繊維予備成形体と、該繊維予備成形体に反応
射出成形法により含浸させる樹脂からなるマトリクス樹
脂とより成形されていることを特徴とする繊維強化樹脂
製品を提供するものである。

【０００８】さらに、本発明は、中子に２種以上のロー
ビング、テープ、ヤーン、モノフィラメントあるいはク
ロス等の形態の繊維をフィラメントワインディング法で
巻き付けて形成した繊維予備成形体を金型のキャビティ
内にセットして、樹脂を反応射出成形で上記繊維予備成
形体に含浸させて、所要の形状の成形品を得ることを特
徴とする繊維強化樹脂製品の製造方法を提供するもので
ある。

【０００９】上記複数種の繊維のＦＷは、同時に複数の
繊維のロービングより繊維を送りだし、１つのアイに通
してよりをかけながら供給して中子に巻き付けるように
してもよい。また、同時ではなくて１つのロービングの
繊維を巻き付けた後の他の繊維のロービングより巻き付
けても良く、その際、巻角度を選定して、前に巻き付け
た繊維の間に後から巻き付けた繊維が巻き付けて複数種
の繊維を同一層に巻き付けたようにすることも出来る。
さらに１本のロービング中に複数種の繊維を混織したコ
ミングルヤーンを用い、このコミングルヤーンを複数種
用いると多種の機能を有する多種類の繊維を容易に混合
することが出来る。

【００１０】上記中子にＦＷ法で巻き付ける繊維は、水
可溶性ナイロン、アルコール可溶性ナイロン、または水
およびアルコール可溶性ナイロンの水またはアルコール
溶液に浸漬させた後、中子に巻き付けることが好まし
い。この可溶性ナイロンの溶液に浸漬することにより、
繊維が中子に巻き付ける際に収束剤の役割を果たしてバ
ラバラになることが防止できる。

【００１１】上記中子に繊維をＦＷ法で巻き付けた繊維
予備成形体を、上記したように、金型のキャビティ内に
セットしてマトリクス樹脂を含浸させて成形するが、こ
の時、注入樹脂が低粘度のモノマーで、金型内で重合さ
せるＲＩＭ製法を用いているため、繊維に対する樹脂の
浸透性を良好とすることが出来る。

【００１２】上記ＦＷ法により強化繊維として用いる連
続繊維は、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、
炭化ケイ素繊維、スチール繊維、アモルファス金属繊
維、有機繊維及び／またはそれらの混合物が好適に用い
られる。

【００１３】上記反応射出成形法またはレジントランス
ファーモールディングに用いる樹脂としては、 ＲＩＭナ
イロン、シクロペンタジエン、エポキシ、ウレタンある
いはポリエステルが用いられる。例えば、 ＲＩＭナイロ
ンである場合、金型内に重合触媒と重合開始剤とを含む
溶融したラクタム類を注入し、これを加熱によりポリア
ミド重合とするモノマーキャスティング法により成形さ
れる。

【００１４】上記モノマーであるω−ラクタム類として
は、α−ピロリドン、α−ピペリドン、ω−エナントラ
クタム、ε−カプロラクタム、ω−カプリロラクタム、
ω−ペラルゴノラクタム、ω−デカノラクタム、ω−ウ
ンデカノラクタム、ω−ラウロラクタム、あるいはこれ
らのｃ−アルキル置換−ω−ラクタム、並びにこれらの
二種以上のω−ラクタムの混合物があげられる。また、
ω−ラクタムは必要に応じて改良成分(ソフト成分)を含
むことができる。該ソフト成分は分子中に使用する開始
剤と反応する官能基を有し、しかも、Ｔgの低い化合物
で、通常の官能基を有するポリエーテルや液状ポリブタ
ジエンなどが使用される。

【００１５】上記ω-ラクタム類として使用される市販
の原料としては、宇部興産(株)会社のＵＢＥナイロン(Ｕ
Ｘ-２１)等がある。これはアルカリ触媒とカプロラクタ
ムからなるＡ成分と、ソフト成分を含むプレポリマーと
カプロラクタムからなるＢ成分とから構成されている。

【００１６】上記重合触媒としては、水素化ナトリウム
が好ましいが、その他のナトリウム、カリウム、水素化
リチウム等の公知のω−ラクタムの重合触媒を使用する
ことが出来る。その添加量はω−ラクタムに対して０.
１〜０.５モル％の範囲が好ましい。

【００１７】また、重合開始剤(活性剤)としては、 Ｎ−
アセチル−ε−カプロラクタムが用いられるが、その他
のトリアリルイソシアヌレート、Ｎ−置換エチレンイミ
ン誘導体、１.１’−カルボニルビスアジリジン、オキ
サゾリン誘導体、２−（Ｎ−フェニルベンズイミドイ
ル）アセトアニリド、２−（Ｎ−フェニルベンズイミド
イル）アセトアニリド、２−Ｎ−モリホリノ−シクロヘ
キセン−１.３−ジカルボキサニリド等や公知のイソシ
アナート、カルボジイミド等の化合物を用いることが出
来る。上記重合開始剤の添加量はω−ラクタムの量に対
して０.０５〜１.０モル％の範囲内にあることが好まし
い。

【００１８】マトリクス樹脂としてシクロペンタジエン
樹脂を用いる場合、該シクロペンタジエン樹脂となる重
合性モノマーとしては、ジシクロペンタジエンのほか、
ジヒドロジシクロペンタジエン、トリシクロペンタジエ
ン、テトラシクロペンタジエン、シクロペンタジエン−
メチルシクロペンタジエン共二重体等が用いられる。

【００１９】上記シクロペンタジエン樹脂の重合触媒と
しては、タングステン、モリブデン、タンタル等のハロ
ゲン化物、オキシハロゲン化物、酸化物、有機アンモニ
ウム塩等が好適に用いられる。重合開始剤としては、周
期率表第I族〜第III族の金属のアルキル化物を中心とす
る有機金属化合物、アルコール、フェノール等の酸素含
有化合物等が好適に用いられる。

【００２０】さらに、上記重合触媒および活性剤(重合
開始剤)を含む溶液は、重合反応が非常に速く開始され
るので、成形用金型に充分に流れ込まない間に硬化が起
こることがあるため、活性調節剤としてアルキレングリ
コールまたはポリアルキレングリコールから選ばれるグ
リコール化合物のモノエーテルおよび／またはモノエス
テルが好適に用いられる。また、金型への射出に際して
は、金型温度を通常４０〜１３０℃の範囲とし、通常１
〜５分間重合反応を行うことが好ましい。

【００２１】上記金型への射出成形に際しては、金型温
度を通常４０〜１３０℃の範囲とし、通常１〜５分間重
合反応を行っている。

【００２２】上記中子としては、繊維を巻き付けること
が出来る形態であればよく、板材、金属材、ゴム、スポ
ンジあるいはプラスチック等からなる中実体、あるい
は、マンドレルにかぶせる可撓性チューブが用いられ
る。該チューブはナイロン、セロファン、ゴム、ポリエ
ステル、ポリエーテルケトン等から形成されているもの
であることが好ましい。

【００２３】

【作用】上記のように繊維予備成型体をＦＷ法で形成す
ると、繊維の混合比、繊維の分布等を容易に制御するこ
とが可能となり、成形品の剛性、弾性率、耐衝撃性、振
動吸収性、およびその他の機能を異種繊維を混合して自
由に設計することが可能となる。

【００２４】さらに、成形品の内層から外層にかけて肉
厚の全体を均等に繊維で補強することが可能となり、部
分的な強度のバラツキの発生を防止出来る。また、従来
のブレードの積層では為し得なかった最外層の繊維層を
平滑性を付与する繊維と強度を付与する繊維とから構成
することも可能となる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明に係わる連続繊維強化樹脂製品１
０を示し、該製品１０の繊維強化材は炭素繊維１１とガ
ラス繊維１２とからなり、マトリクス樹脂は反応射出成
形で成形したナイロンからなる。上記炭素繊維１１とガ
ラス繊維１２とは、ＦＷ法で予め成型した繊維予備成型
体からなり、内層側Ｘから外層側Ｙにかけての肉厚の全
体にわたって均一に混合しており、よって、製品１０は
その肉厚の全体にわたって同一な強度となっている。

【００２６】上記製品１０の製造方法を以下に詳述す
る。まず、ＦＷ法により繊維予備成型体を形成する。即
ち、図２に示すように、マンドレル１５(本実施例では
直径１.５mmのＳＵＳ製マンドレル)に中子となる可撓性
チューブ１６(本実施例では２４mm幅のナイロンチュー
ブ)を通し、その上に炭素繊維ロービング１７(東邦レー
ヨン社製ＨＴＡ−７−１２０００)とガラス繊維ロービ
ング１８(日東紡社製Ｔ−３０)とより、 それぞれ炭素繊
維１１とガラス繊維１２とを送りだしＦＷする。

【００２７】上記ＦＷ法は、周知のＦＷ法と同様な方法
であり、マンドレル１５を駆動手段(図示せず)により回
転作動および軸線方向へ直線往復作動させる。尚、マン
ドレル側を強制駆動せずに、繊維巻き付け側を回転およ
び直線往復作動させるようにしても良い。上記炭素繊維
ロービング１７およびガラス繊維ロービング１８より引
き出される炭素繊維１１およびガラス繊維１２は、アル
コール可溶性ナイロンのアルコール溶液を貯溜している
容器(図示せず)を通して浸漬して後、１本のアイ２０に
通して２本の繊維を１つにまとめ、よりをかけながらテ
ンションロール２１を通して上記可撓性チューブ１６の
外周面に一端より他端へと巻き付け、さらに往復作動さ
せて所要の層だけ巻き付けていく。

【００２８】上記のようにＦＷすることにより、炭素繊
維１１とガラス繊維とはマンドレルの軸方向の全体にわ
たり、かつ内層側から外層側へと厚さ方向の全体に渡っ
て均一に混合された状態となる。

【００２９】炭素繊維１１とガラス繊維１２の所定の巻
き付けが終了して繊維予備成型体(レイアップ)を作製し
た後、上記レイアップを可撓性チューブ２と共にマンド
レル１から引き抜く。ついで、 図３に示すように、金
型２５のキャビイティ２６の形状(Ｕ型)に沿うように、
繊維予備成形体をキャビイティ２６内にセットする。

【００３０】ついで、金型２５の型締を行う。キャビテ
ィ内を真空ポンプで減圧しながら、金型温度を１５０℃
に昇温し、かつ、 可撓性チューブ１６の内部に内圧をか
けながら、宇部興産社製ＲＩＭナイロンＵＸ−２１を圧
力をかけて注入し、 反応射出成形により成形する。 具体的には、 所要量のＲＩＭナイロンを２つの容器に分
けて入れ、一方には重合触媒を、他方には重合開始剤と
活性調整剤と添加し、２種類の安定した反応溶液を調整
している。この２種類の反応溶液を２液反応射出成形装
置のキミシングヘッドで瞬間的に混合させ、混合液を直
ちに上記金型のキャビティ内に注入する。注入された混
合液はキャビティ内に配置したレイアップに含浸しなが
ら反応を生じ、１〜５分間重合反応をおこなって、混合
液が硬化する。硬化後、金型を開いて成形された製品を
取り出す。

【００３１】上記した工程により、図１に示す炭素繊維
とガラス繊維をＦＷしたレイアップにより補強され、マ
トリクス樹脂をナイロンとした繊維強化樹脂製のＵ字型
のパイプを得ることが出来る。

【００３２】上記実施例では各１個の炭素繊維ロービン
グとガラス繊維ロービングより炭素繊維とガラス繊維を
引き出しているが、その際、炭素繊維ロービングを更に
１個ふやして２本の炭素繊維１と１本のガラス繊維をア
イ２０で１つにまとめてＦＷすることにより、炭素繊維
の巻量をガラス繊維の２倍とすることも出来る。さら
に、炭素繊維ロービング、ガラス繊維ロービング以外に
他の繊維ロービングを用いて同時に引き出すことによ
り、３種以上の繊維を混合することも出来る。また、繊
維ロービングとして複数の繊維を混織しているコンング
ルヤーンを巻装している繊維ロービングを用いて、１本
の繊維ロービングから複数種の繊維を引き出してＦＷし
てもよい。

【００３３】また、上記実施例では、複数種の繊維を同
時にロービングより引き出してＦＷしているが、１本の
ロービングより１つの繊維を引き出してＦＷした後に、
他のロービングより異種類の繊維を引き出してＦＷして
もよい。その際、同一層に複数種の繊維を分布させたい
場合には、前にＦＷした繊維の間に後からＦＷする繊維
が位置するように巻き付けていけば良い。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、ＦＷ法により繊維強化材を成型するため、製
品の剛性、弾性率、耐衝撃性、振動吸収性等の機能、及
び重量、肉厚等を設計しようとする場合、異種繊維の混
合比がそれぞれの種類の繊維のロービングレベルでの目
付け量もしくはそれぞれの繊維のロービング本数で制御
することができ、設計の自由度が大きくなる。

【００３５】また、製品の肉厚の全体にわたって全ての
種類の繊維を均一に分布させることが出来、強度的に弱
い部分が生じない製品を得ることが出来る。逆に、部分
的に強弱をつける必要がある場合に容易に要求に添わせ
ることが出来る。

【００３６】さらに、ＦＷしてレイアップした繊維強化
材を金型のキャビティ内に予め配置して樹脂成形するた
め、マトリクス樹脂の種類を選択することが可能とな
り、特に、レイアップした強化繊維に対して浸透性が良
く、かつ、耐衝撃性、振動減衰性、および耐熱性等のす
ぐれた特性を有するＲＩＭナイロンやシクロペンタジエ
ン、エポキシ、ウレタンあるいはポリエステル等をマト
リクス樹脂として用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる繊維強化樹脂製品の断面図で
ある。

【図２】 本発明に係わるＦＷ法を示す概略図である。

【図３】 上記ＦＷ法で成型した繊維強化材を金型に配
置する状態を示す概略図である。

【図４】 従来のブレードからなる繊維強化材をマンド
レルに巻き付けた状態を示す概略図である。

【図５】 従来の問題点を示す繊維強化樹脂製品の断面
図である。

【符号の説明】

１０ 繊維強化樹脂製品 １１ 炭素繊維 １２ ガラス繊維 １５ マンドレル １６ 中子(チューブ) １７ 炭素繊維ロービング １８ ガラス繊維ロービング ２０ アイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２種以上のロービング、テープ、ヤー
   ン、モノフィラメントあるいはクロス形態の繊維をフィ
   ラメントワインディング法で巻き付けて形成した繊維予
   備成形体と、該繊維予備成形体に反応射出成形法により
   含浸させる樹脂からなるマトリクス樹脂とより成形され
   ていることを特徴とする繊維強化樹脂製品。
2. 【請求項２】 中子に２種以上のロービング、テープ、
   ヤーン、モノフィラメントあるいはクロス形態の繊維を
   フィラメントワインディング法で巻き付けて形成した繊
   維予備成形体を金型のキャビティ内にセットして、樹脂
   を反応射出成形で上記繊維予備成形体に含浸させて、所
   要の形状の成形品を得ることを特徴とする繊維強化樹脂
   製品の製造方法。