JPH05278031A

JPH05278031A - 熱可塑性樹脂含浸型複合補強繊維材料

Info

Publication number: JPH05278031A
Application number: JP4108962A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Takahashi; 良誠高橋; Toshiaki Kitahora; 俊明北洞
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-26
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JP3289783B2

Abstract

(57)【要約】【目的】フレキシビリティーを有し容易に成形加工で
きる繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を提供する。【構成】補強繊維モノフィラメントを熱可塑性樹脂で
含浸被覆して得られる、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ²≦５０の条件
式を満たす２〜１６００本の複合繊維単位を束ね、該複
合繊維単位の熱可塑性樹脂を部分的に溶融し、隣合う複
合繊維単位を融着集束した樹脂含浸型複合補強繊維材
料。ただし、Ｅは補強繊維モノフィラメントの伸張弾性
率（kgf/mm²）、Ｓは補強繊維モノフィラメントの断面
積（mm²）、ｍは複合繊維単位中の補強繊維モノフィラ
メントの本数（−）、２ａは複合繊維単位の断面の短径
（mm）を示す。

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
クスとする繊維強化複合材料の原材料および成形体に関
するものである。

【０００２】

【従来技術】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、これらは剛直であり、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合せしたフ
レキシブルな材料も開発されているが、組合せ段階で不
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の原材料及び
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Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ²≦５０の条件式を満たす複合繊維単
位を２〜１６００本束ね、該複合繊維単位を長手方向に
おいて部分的に溶融させ、隣合う複合繊維単位同志を融
着させ集束して得られる熱可塑性樹脂含浸型複合補強繊
維材料、ただし、Ｅ：補強繊維モノフィラメントの伸張弾性率
（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、前記熱可塑性樹脂含浸型複合補強繊維材料を、
二次元もしくは三次元の形態に加工して得られる繊維強
化樹脂前駆体、さらには、前記熱可塑性樹脂含浸型複合
補強繊維材料、または、前記繊維強化樹脂前駆体を熱可
塑性樹脂の融点以上に加熱および加圧することにより得
られる繊維強化熱可塑性樹脂成形体である。

【０００５】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】本発明に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、セラミックス繊
維、金属繊維等の連続繊維などが挙げられ、これらを、
２種以上併用して用いてもよく、また、用いる熱可塑性
樹脂との接着を良くするための表面処理がなされている
ことが好ましい。また、本発明に用いられる熱可塑性樹
脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびそ
の共重合体や変性体を含むポリオレフィン系、ナイロン
６、ナイロン６６、ナイロン１２等のポリアミド系、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
ト等のポリエステル系、ポリカーボネート、熱可塑性ポ
リウレタン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサル
ファイド、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模式的に示した。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。

【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。複合繊維単位の形
状は帯状、長方形、楕円形状であることが望ましいが、
その形状はとく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のモノフィラメ
ントの伸張弾性率をＥ（kgf ／mm²）、断面積をＳ（mm
²）、複合繊維単位中の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２
ａ（mm）としたときの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、生成した複合繊維単位、及び
それを２〜１６００本集束させた熱可塑性樹脂含浸型複
合補強繊維材料のフレキシビリティが損なわれ、テキス
タイル加工等が困難になる。

【００１０】各複合繊維単位中の補強繊維モノフィラメ
ントの体積含有率は、２０〜８０vol%が好ましい。補強
繊維モノフィラメントが２０vol% 以下の場合には補強
効果が有効に発揮できず、また、８０vol% 以上になる
と含浸被覆の際にボイドが発生しやすくなる。

【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、例えば、図２に示すよう
にクロスヘッドダイを用いる方法が挙げられる。このよ
うな含浸ダイの後に更に含浸を向上させるために加圧ロ
ールを用いてもよい。

【００１２】また、本発明における樹脂含浸型複合補強
繊維材料は、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、樹脂含浸型複合補強
繊維材料の可撓性が劣る傾向が大きくなる。一方、１６
００本を超える場合は、樹脂含浸型複合補強繊維材料が
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２〜８００
本、好ましくは２〜４００本、更に好ましくは２〜２０
０本である。また、テキスタイル加工性等の容易性とい
う点からは、長径Ｌ1は４mm以下が好ましい。

【００１３】前記樹脂含浸型複合補強繊維材料は、２〜
１６００本の複合繊維単位を束ね、さらに、図３（ａ）
に示すように複合繊維単位を長手方向において、部分的
に複合繊維単位を含浸被覆している熱可塑性樹脂を溶融
させ、該隣合う複合繊維単位同志を融着し集束されてい
る。このように集束されていることにより、各々の複合
繊維単位がバラバラにならず、かつ可撓性を保持できる
ので、テキスタイル加工等の後加工が容易になると同時
に、取扱い性にも優れる。ここで、部分的とは点、線ま
たは、小さい面積で融着されていることを意味する。さ
らに図３（ｂ）に示すように融着点において、集束する
全ての複合繊維単位を融着するのではなく、数本の隣合
う複合繊維単位を融着し、別の点において、さらに数本
の隣合う複合繊維単位を融着し、樹脂含浸型複合補強繊
維材料として集束している場合も含む。また融着点の数
（点／ｍ）は集束する複合繊維単位の本数によっても異
なるが２〜２００点／ｍが好ましく、さらに好ましくは
５〜５０点／ｍである。この範囲を下回ると、集束性が
乏しくテキスタイル加工時にヘルド等に引っかかり製織
が困難となる。一方上回ると、可撓性が損なわれ、やは
りテキスタイル加工等の後加工が困難になる。

【００１４】部分融着の方法は、種々の方法が適用でき
特に規定されない。例えば熱可塑性樹脂の融点以上のホ
ットエアーや、トーチを複合繊維単位を束ね走行してい
るところに、部分的に吹き付けるかまたはあぶり、部分
融着する方法が挙げられる。また別の例としては、図２
（ａ）および図２（ｂ）に示すように、複合繊維単位を
束ねたものを、ローラの円周上近くに熱可塑性樹脂の融
点以上に加熱したヒーターを部分的に配した回転ローラ
上を接触させながら走行させ部分融着する方法があげら
れる。

【００１５】このようにして得られた樹脂含浸型複合補
強繊維材料は、シート化、すだれ化、織布化、編物化、
組物化、三次元織り等の後加工により、二次元もしくは
三次元の形態にし、繊維強化樹脂前駆体にすることがで
きる。これら後加工やその形態については、一切制限を
されない。

【００１６】こうして得られる樹脂含浸型複合補強繊維
材料または繊維強化樹脂前駆体を、含浸被覆した熱可塑
性樹脂が溶融する温度まで加熱し、加圧する事により繊
維強化複合材料として成形できる。成形方法としたは、
一切制限されないが、例えば加熱した樹脂含浸型複合補
強繊維材料を加圧ロール間または加圧ベルト間を通すこ
とによって、ロッド、テープが連続的に成形される。

【００１７】また、前記のようにして得られた、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製することが
できる。さらに、前記樹脂含浸型複合補強繊維材料をそ
のまま振り落とすかまたは、所定の長さに切断しつつシ
ートを形成し、該シートを加熱加圧すればいわゆる平板
状固形状のスタンパブルシートを作ることができる。ま
た、前記樹脂含浸型複合補強繊維材料から得られた織
布、編布、組物等の布状物を加熱加圧すれば、平板状の
繊維強化樹脂が得られる。さらに、本発明による樹脂含
浸型複合補強繊維材料またはそれ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付け
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うことができる。さらには、加熱し
た多数の樹脂含浸型複合補強繊維材料、テープまたは織
布を所定形状の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うことができる。

【００１８】また、他の有力な成形法として、樹脂含浸
型複合補強繊維材料またはその切断物をそのまま型上に
配置するか、樹脂含浸型複合補強繊維材料から得られた
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。さらには、一般的なマッチドダイプレ
スを用いる成形法も有力である。いずれの場合において
も、樹脂含浸型複合補強繊維材料およびその後加工品
は、可撓性を有するため型に沿いやすく、成形が容易で
ある。さらに、樹脂含浸型複合補強繊維材料およびその
後加工品は、それを構成する複合繊維単位において、補
強繊維が熱可塑性樹脂で含浸被覆されているので、熱可
塑性樹脂を溶融一体化することにより、品質の優れた繊
維強化熱可塑性樹脂材料が得られる。

【００１９】本発明による樹脂含浸型複合補強繊維材料
およびその後加工品は、コンクリート補強用としても有
用である。これは、熱可塑性樹脂により、補強繊維が含
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が劣化されることが低減される。ま
た本発明の樹脂含浸型複合補強繊維材料およびその後加
工品は繊維強化熱硬化性樹脂の強化材としても有用であ
る。例えば、本発明の樹脂含浸型複合補強繊維材料また
はその後加工品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。この場合は、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】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
マトリックスとして熱可塑性樹脂を用いるため、繊維強
化熱硬化性樹脂の場合とは異なり、キュアリング工程が不要である。得られた成形物がより強靭である。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。また熱可塑性樹脂複合材料との比
較においては、含浸プリプレグのような物に対しては、
優れた可撓性を有しテキスタイル加工等の後加工が容易
であり、しかも、型に沿い易いため成形性に優れる。ま
た、熱可塑性繊維や、粉体を用いた物と比較した場合
は、予め補強繊維が含浸被覆されているため、比較的短
時間、低圧力で、均一でかつ、ボイドのない成形品が得
られる。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらに何ら限定されるものではない。

【００２２】実施例１ノズル孔数８００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。この繊
維を、４分割し単糸径１３μｍ、２００フィラメントの
ガラス繊維を得た。得られたガラス繊維には、シランカ
ップリング剤で処理を施した。この繊維を、図２（ａ）
に示すようなクロスヘッドダイを用いてナイロン６樹脂
を含浸被覆し、複合繊維単位を得た。複合繊維単位の繊
維含有率は５５vol%であり、長径は０．３２mm、短径は
０．１５mmであり、またガラス繊維の伸張弾性率は７２
００kgf/mm²であり、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ²は１．０８であ
った。このような複合繊維単位を４本束ね、図２（ａ）
および図２（ｂ）に示すような２６０℃に加熱したヒー
ターを有した回転ローラーに接触させ、１５点／ｍで部
分融着し集束した。融着点の面積は３×０．８mmであっ
た。この集束した樹脂含浸型複合補強繊維材料を経糸＝
１８本／inch、緯糸＝１８本／inchの平織物にレピア織
機を用いて製織した。製織性は極めて良好であった。得
られた織物を半径７cmの開放型上に多孔質の離型膜、織
物、シリコーン膜材と型に沿わせ積層した。型に対する
織物の追従性は良好であった。この積層品を融点以上に
加熱後、シリコーン膜内を減圧し、大気圧で型に押し付
け成形を行った。成形時間は加熱後１０分であった。得
られた成形品はしわ等がなく大変良好であった。また、
含浸に関しても、もともと含浸した材料を用いているた
め大変良好であった。

【００２３】比較例１実施例１の複合繊維単位を束ねただけで、レピア織機に
供したところ、各々の複合繊維単位がばらけ、該単位で
張力が異なり、ヘルドに引っかかり製織できなかった。

【００２４】比較例２単糸径１３μｍ、１６００本フィラメントのガラス繊維
に、実施例１と同様にナイロン６を含浸被覆し、複合繊
維単位を得た。この複合繊維単位のガラス繊維含有率は
５５vol%で、長径は１．２mm、短径は０．４１mmであ
り、Ｅ・Ｓ・ｍ・ａ²は６４であった。この複合繊維単
位１本を樹脂含浸型複合補強繊維材料として用い、レピ
ア織機に供したところ、可撓性がないため製織すること
ができなかった。

【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）は複合繊維単位および、樹脂含浸型複合
補強繊維材料を得るための１例の工程模式図である。
（ｂ）は部分融着装置のＡーＡ断面図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明の樹脂含浸型複合補
強繊維材料の部分融着の代表的な模式図である。

【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補強繊維クリール５補強繊維６ガイドロール７開繊装置８押出機９クロスヘッドダイ１０複合繊維単位１１集束ガイド１２部分融着装置１３ヒーター１４引き取り機１５ワインダー１６ローラー１７樹脂含浸型複合補強繊維材料１８溝１９融着点

Claims

【特許請求の範囲】

【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Ｅ
・Ｓ・ｍ・ａ²≦５０の条件式を満たす複合繊維単位を
２〜１６００本束ね、該複合繊維単位を長手方向におい
て部分的に溶融させ、隣合う複合繊維単位同志を融着さ
せ集束して得られる熱可塑性樹脂含浸型複合補強繊維材
料。ただし、Ｅ：補強繊維モノフィラメントの伸張弾性率
（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）
【請求項２】請求項１に記載の熱可塑性樹脂含浸型複
合補強繊維材料を、二次元もしくは三次元の形態に加工
して得られる繊維強化樹脂前駆体。
【請求項３】請求項１に記載の熱可塑性樹脂含浸型複
合補強繊維材料、または、請求項２記載の繊維強化樹脂
前駆体を熱可塑性樹脂の融点以上に加熱および加圧する
ことにより得られる繊維強化熱可塑性樹脂成形体。