JPH05285948A - 表面が平滑な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層成形品の成形用として好適な嵩張り率が
1.2 以下の表面が平滑な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレ
グシートの製造方法を提供すること。 【構成】 熱可塑性樹脂をマトリックスとしかつ補強繊
維を含有する嵩張り率が1.2 よりも大きいプリプレグシ
ートを、平板に挟んで前記熱可塑性樹脂の可塑化温度以
上の温度下に両面側から押圧した後、冷却することから
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、積層成形品の製造に用
いる表面が平滑な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシー
トの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱可塑性樹脂であるポリエーテ
ルエーテルケトン (PEEK) に代表されるようないわゆる
エンジニアリングプラスチックスをマトリックスとする
連続繊維強化複合材料は、靱性、耐熱性、耐環境性がエ
ポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂をマトリックスとする複合
材料に比して格段に優れている。近年、熱可塑性樹脂を
マトリックスとするプリプレグシートで積層成形品、例
えば、繊維補強熱可塑性樹脂パイプをつくり、このパイ
プを例えば自転車の構造部材、ゴルフシャフトや釣竿な
どのスポーツレジャー分野、航空・宇宙分野の構造部材
等として用いる試みがなされるようになった。

【０００３】しかしながら、従来の繊維補強熱可塑性樹
脂プリプレグシートは、嵩張り率が1.5 程度と高く、表
面の凹凸が大きいために、複数枚を積層して積層成形品
をつくるときに嵩張りが大きくなるので、曲率半径の小
さい凹曲部等の加工しにくい曲面を有する積層成形品用
としては不向きであった。すなわち、嵩張りが大きいと
積層時のプライ厚さと製品に仕上がった時のプライ厚さ
の差が大きくなるので、加工しにくい曲面には特に皺や
層間剥離、層間空隙、コーナー部における補強繊維の突
っ張り（ブリッジング）などの不具合が生じるからであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、積層成形品
の成形用として好適な嵩張り率が1.2 以下の表面が平滑
な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートの製造方法を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の表面が平滑な繊
維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートの製造方法は、熱
可塑性樹脂をマトリックスとしかつ補強繊維を含有する
嵩張り率が1.2 よりも大きいプリプレグシートを、平板
に挟んで前記熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の温度下に
両面側から押圧した後、冷却することを特徴とする。

【０００６】このように本発明では、嵩張り率が1.2 よ
りも大きいプリプレグシートを、平板に挟んでマトリッ
クスの熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の温度下に両面側
から押圧するために、熱可塑性樹脂が軟化又は溶融しな
がらそのプリプレグシートが押し潰されるので、内部の
空気が放出されると共に表面が平らとなるから、ついで
冷却することにより嵩張り率が1.2 以下の表面が平滑な
繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートを得ることがで
きる。

【０００７】以下、本発明の構成につき詳しく説明す
る。本発明で使用する熱可塑性樹脂をマトリックスとし
かつ補強繊維を含有する嵩張り率が1.2 よりも大きいプ
リプレグシートは、具体的には、複数本の連続繊維を引
き揃えて一方向に帯状に配列した一般にトウと呼ばれる
繊維束にマトリックスの熱可塑性樹脂を含浸させたもの
(一方向引き揃えのプリプレグ (UDプリプレグ) ) など
である。室温においてタック性や可塑性がないばかりで
なく、剛性が高い、シート状又は短冊状 (スリットテー
プ) をしている。このプリプレグを構成する繊維束に用
いる補強繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊
維、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）、炭化珪素
繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維等の耐熱性を備えた強
度の大きい連続繊維である。

【０００８】また、マトリックスの熱可塑性樹脂として
は、特に限定されないが、好ましくは融点が343 ℃のポ
リエーテルエーテルケトン (PEEK) 、融点が282 〜288
℃のポリフェニレンサルファイド(PPS) 、軟化点が219
℃のポリエーテルイミド(PEI) 、ポリエーテルスルホン
(PES) 、ポリアリレンケトン、ポリアリレンサルファイ
ド、ポリアリールイミド、ポリアミドイミド、ポリイミ
ドスルホン、ポリスルホン、ポリアリールスルホン、ポ
リエステル、ポリカーボネート（PC) 、ポリアミド(P
A)、ポリプロピレン(PP)等の高融点又は高軟化点の熱可
塑性樹脂を例示することができる。

【０００９】ここで、嵩張り率は次のように定義され
る。 嵩張り率＝プリプレグの厚さ÷積層成形品（製品）のプ
ライの厚さ プリプレグの厚さというのは、プリプレグを何プライも
積層したときに、できるだけ相互に密着させて全体が最
小の厚さとなるときの１プライ当りの厚さである。この
厚さは、測定の誤差を少なくするために、電磁鋼板に関
するＪＩＳ（日本工業規格）に記載の占積率の測定方法
に準拠して求めることができる。なお、占積率と嵩張り
率とは互いに逆数である。積層成形品（製品）のプライ
の厚さというのは、マトリックスの熱可塑性樹脂を流出
させない成形（いわゆるノンブリード成形）をしたとき
において、複数プライからなる積層成形品の全体の厚み
から１プライ当りの厚さを求めたものである。

【００１０】本発明においては、上記の嵩張り率が1.2
よりも大きいプリプレグシートを、まず、平板に挟んで
前記熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の温度下に両面側か
ら押圧する。この場合に用いる平板の材質としては、特
定されるものではなく、例えば、ステンレス、銅などの
金属である。また、プリプレグシートを熱可塑性樹脂の
可塑化温度以上の温度とする場合の加熱は、空気中でも
不活性ガス中でも真空中でもいずれで行ってもよい。マ
トリックスの熱可塑性樹脂によって必要な加熱の雰囲気
を適宜選択すればよい。加熱は一般に素早い方が、熱可
塑性樹脂の劣化防止および時間の経済性の上から好まし
い。

【００１１】このようにプリプレグシートをマトリック
スの熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の温度下に両面側か
ら押圧することにより、熱可塑性樹脂が軟化又は溶融す
ると共にプリプレグシートが押し潰される。この場合の
押圧力は適当でよいが、嵩張り率が1.2 以下となるよう
に留意して押圧を行うようにする。つぎに、このように
押圧したプリプレグシートを冷却する。この場合の冷却
は自然放冷でもよいし、プリプレグシートを水中に投じ
る等何らかの冷却手段によって積極的に冷却してもよ
い。

【００１２】本発明において、嵩張り率は1.2 以下、具
体的には1.0 〜1.2 である。ここで嵩張り率を1.2 以下
としたのは、1.2 を超えると品質の安定した積層成形品
が得られなくなるからである。以下に嵩張り率とプリプ
レグシートおよび積層成形品との関係を列記する。 （ａ）プリプレグシートの表面が全く平滑であり、マト
リックスの熱可塑性樹脂が補強繊維に完全に含浸されて
いる状態であれば、嵩張り率は限りなく1.0 に近い。

【００１３】（ｂ）プリプレグシートの表面の凹凸が大
きければ大きいほど、嵩張り率は大きい。 （ｃ）プリプレグシートの表面の凹凸に変わりがなけれ
ば、積層成形品のプライ厚さが大きいほど、嵩張り率は
小さい。 （ｄ）プリプレグシートの表面が全く平滑であっても、
マトリックスの熱可塑性樹脂の補強繊維への含浸が不完
全であれば（すなわち、プリプレグシート内に空隙が残
存するので、製品となるときにはその空隙を樹脂が埋め
るために、他から樹脂が移動する）、その分だけ嵩張り
率は1.0 よりも大きくなる。

【００１４】（ｅ）嵩張り率が1.0 のプリプレグシート
を複数プライ積層して平板を成形するとき、成形前のプ
リフォームを圧縮した時の厚みは、成形後の製品の厚み
と等しい。つまり、厚さについてみると、成形前と成形
後とで変わらない。 （ｆ）嵩張り率が1.0 を超えるプリプレグシートを用い
て成形するときには、成形前のプリフォーム形状に対し
成形後の製品形状が変化する。この変化に伴い、各プラ
イは相対的な位置を変えたりプライ自身変形したりする
ことで、製品の最終形状に収束する（このときに生じる
「相対的な剪断移動や変形」を、以下、成形に伴う材料
の移動と称する）。

【００１５】（ｇ）プライ間の相対的な移動やプライ自
身の変形は、嵩張り率が大きいほど大きい。また、製品
形状の曲率半径が小さいほどプライ間の剪断移動が大き
くなる。 （ｈ）成形に伴う材料の移動（すなわち、嵩張り率が1.
0 を超えるプリプレグシートを用いて成形する場合）が
大きいと、厚みの変化を埋めるためのストローク量（単
純な平板を圧縮成形する場合を例にとれば、圧縮板間の
距離変化）が大きくなる。

【００１６】（ｉ）曲率半径が大きくなる変化に伴った
成形に伴う材料の移動の場合、補強繊維を伸ばすことは
不可能なため、繊維の張力によって繊維が引き寄せられ
ることが良好な製造品質のためには不可欠であるが、樹
脂の粘性や繊維同士の摩擦が抵抗となって製造品質上の
トラブルを招き易い。具体的には、繊維がコーナー部で
突っ張るブリッジング現象やコーナー部近傍の空隙や層
間剥離現象である。

【００１７】（ｊ）曲率半径が小さくなる変化を伴った
成形に伴う材料の移動の場合、補強繊維を縮めることは
不可能なため、繊維に余分な長さ（弛み）が生じて、製
造品質上のトラブルを招き易い。繊維の弛みは、繊維の
蛇行や方向の変化を生じるので、設計上の強度や剛性性
能をその分だけ狂わせる（低下させる）。 （ｋ）成形に伴う材料の移動が大きい場合には、一般的
に言って成形の圧力を高め成形の時間（材料の移動に要
する時間）を長くすることが伴う。これは、能率的にも
成形装置の価格的にも好ましくない。

【００１８】（Ｌ）また、成形に伴う材料の移動が大き
い場合には、補強繊維とマトリックス樹脂との分離が進
む。分離とは、局所的な繊維の体積含有率の変化をも含
めて指し示す。分離が進むことは、静的強度や疲労強度
などの機械的特性の低下を意味する。 本発明によって得られる嵩張り率が1.2 以下の表面が平
滑な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートを用いて積
層成形品、例えば、繊維補強熱可塑性樹脂パイプをつく
るには、いわゆる内圧成形法によればよい。内圧成形法
は、プリプレグシートを渦巻状に巻回して筒状のプリフ
ォームとし、これを円筒状外型内に挿入し、つぎにこの
プリフォームの中空部にポリテトラフルオロエチレン
(PTFE、商品名テフロン) などのフッ素系樹脂からなる
熱膨張性の棒状の中子を挿入した後、プリフォームを構
成する熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の温度にプリフォ
ームおよび中子を加熱してプリフォームの中空部内で中
子を熱膨張させ、熱可塑性樹脂を軟化又は溶融させると
共に中子の熱膨張による押圧力でプリフォームを型締め
し、ついで円筒状外型と共にプリフォームおよび中子を
冷却し、中子をプリフォームの中空部から引き抜くと共
に円筒状外型を除去することによりパイプを得ることか
らなる成形方法である。

【００１９】

【実施例】ここではオートクレーブを用いた製造方法の
みを示しているが、同じ原理に基づきダブルベルトプレ
ス（商品名）を使って連続的な処理を行ってもよい。 比較例１ ICI-Fiberite社製のPEEK/CF(炭素繊維) のプリプレグシ
ート(APC-2/AS4) は、繊維の体積分率(Vf)が0.61の一方
向引き揃えプリプレグシートであり、成形後のプライ厚
さおよび成形前のプライ厚さはそれぞれ125 μm および
190 μm で、嵩張り率は1.52であった。

【００２０】このプリプレグシートを用いて、外径＝50
mm φのパイプを、PTFE製マンドレルの熱膨張により型
締めする方法で内圧成形した。なお、成形の際のマンド
レルの熱膨張は17％であるので、１回の型締めで成形で
きる肉厚の限度は計算上5.46mmである。実際には4.0 mm
のものは成形できたが、5.0 mmのものは成形できなかっ
たので、実質の限度は4.0 mmと5.0 mmとの間にある。な
お、成形条件は380 ℃に加熱後、水中に投じて冷却する
方法による。

【００２１】実施例１ 比較例１で用いたプリプレグシート(APC-2/AS4) の１枚
を、厚さ３mmのステンレス製カールプレート（平板）の
２枚の間に挟み、これを真空バッグ中に保持して、オー
トクレーブを用いて380 ℃×７気圧の条件の下で平滑化
を行った。得られたプリプレグシートは、表面がカール
プレートと同等に平滑となっており、また温度や圧力の
条件が適切であるため、PEEKの流出や繊維の流動は生じ
ていなかった。この新たなるプリプレグシートを用いる
とき、成形後のプライ厚さおよび成形前のプライ厚さは
それぞれ125 μm および150 μm で、嵩張り率は1.20で
あった。

【００２２】比較例１におけると同様に、このプリプレ
グシートを用いて、外径＝50 mm φのパイプを、PTFE製
マンドレルの熱膨張により型締めする方法で内圧成形し
た。なお、成形の際のマンドレルの熱膨張は17％である
ので、１回の型締めで成形できる肉厚の限度は計算上1
0.5 mm である。実際には8.0 mmのものは成形できた
が、9.0 mmのものは成形できなかったので、実質の限度
は8.0 mmと9.0 mmとの間にある。成形条件は380 ℃に加
熱後、水中に投じて冷却する方法による。

【００２３】したがって、比較例１に比して、同じ外径
のパイプをつくる上で成形可能な範囲が広い。これによ
り、成形材料として成形における適性が広いという意味
において優れていることが判る。 比較例２ ポリカーボネート／CFのプリプレグシート（PC/HTA :東
邦レーヨン株式会社試作品) は、溶融含浸法で試みたUD
プリプレグであるが、成形後のプライ厚さおよび成形前
のプライ厚さはそれぞれ170 μm および425 μm で、嵩
張り率は2.50であった。このプリプレグシートは、外観
的にも表面の凹凸が激しく、また内部まで樹脂が浸透し
ていない状態であった。

【００２４】このプリプレグシートを用いて、外径＝50
mm φのパイプの成形を試みたところ、プリフォームの
嵩張りが激しく、肉厚0.5 mmの成形がやっと可能であっ
た。ただし、成形条件は、マンドレルとしてPTFE製を用
いて300 ℃に加熱後、水中に投じる方法による。また、
同じプリプレグシートを用いて、オートクレーブ成形を
試みた。すなわち、曲率半径50 mm の凹面を持つ135 °
開いた型に、擬似等方積層(0°、±45°、90°)_4S とな
るように200 mm角に切断積層したプリプレグシートを置
き、真空バッグ法にて缶体圧力７気圧で300 ℃に30分保
ち、そのまま冷却して成形品を得た。成形品は、一見良
くできているように見えたが、Ｒ部分（曲がった部分）
が他の平板部分よりも１mm強厚く、繊維方向も一部に蛇
行が認められた。また、断面を研磨して良く観察したと
ころ、平板の部分では層間剥離や空隙などの内部欠陥は
全く認められなかったが、Ｒ部分では樹脂の固まりが生
じたり、層間に空隙が数多く認められるなどの多くの内
部欠陥が生じていた。

【００２５】実施例２ 比較例２で用いたプリプレグシートをもとに、実施例１
におけると同様にして表面が平滑なプリプレグシートを
得た。このプリプレグシートの成形後のプライ厚さおよ
び成形前のプライ厚さはそれぞれ170 μm および190 μ
m で、嵩張り率は1.12であった。

【００２６】このプリプレグシートを用いて、外径＝50
mm φのパイプの成形を試みたところ、肉厚10 mm の成
形が可能であった。また、比較例２おけると同様にして
オートクレーブ成形を行ったところ、肉厚は到る所で均
一で、繊維の蛇行や樹脂溜りや内部の層間剥離や空隙と
いった欠陥もなく、極めて品質の高い成形品が得られ
た。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、嵩
張り率が1.2 よりも大きいプリプレグシートを、平板に
挟んでマトリックスの熱可塑性樹脂の可塑化温度以上の
温度下に両面側から押圧した後、冷却することにより積
層成形品の成形用として好適な嵩張り率が1.2 以下の表
面が平滑な繊維補強熱可塑性樹脂プリプレグシートを得
ることができる。このプリプレグシートを用いて成形を
行う場合には、下記の効果を奏することができる。

【００２８】 成形中の材料移動が従来のものを使用
する場合に比して少なく、皺やブリッジングが生じにく
く、ネットシェイプ成形に適している。 成形による嵩変化が少ないので、300 ℃以下の成形
温度におけるパイプ等の内圧成形も十分に可能である。 樹脂の繊維への含浸がプリプレグ段階で完了してい
るため、低い成形圧力で成形可能である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱可塑性樹脂をマトリックスとしかつ補
   強繊維を含有する嵩張り率が1.2 よりも大きいプリプレ
   グシートを、平板に挟んで前記熱可塑性樹脂の可塑化温
   度以上の温度下に両面側から押圧した後、冷却すること
   からなる嵩張り率が1.2 以下の表面が平滑な繊維補強熱
   可塑性樹脂プリプレグシートの製造方法。