JPH1120059A - 複合材用強化繊維基材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で、成形時の取扱い性や賦形性が
良好で、且つ、成形品にした場合、樹脂の含浸が良好で
強化繊維の含有率を高めることができ、成形品の強度の
方向性が少なく、機械的特性の優れた成形品を可能とす
る繊維強化熱可塑性樹脂複合材の成形材料の提供を目的
とする。 【解決手段】 経材と緯材及び互いに逆方向に交差する
２方向からなる複合材用強化繊維基材において、前記各
材が熱可塑性樹脂により被覆された連続強化繊維からな
り、且つ、各材の交点において各材が融着されている複
合材用強化繊維基材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化熱可塑性
樹脂複合材を製造するのに用いられる成形材料に関し、
特に機械的特性の方向性の少ない複合材を成形するのに
好適な成形材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱可塑性樹脂を繊維のマット状物に含浸
一体化してなる組成物がスタンパブルシートとして知ら
れている。スタンパブルシートを用いる成形（スタンピ
ング成形）は、加熱溶融したシートを加熱された一対の
型の間に供給し加圧して賦形することによりなされる。
スタンピング成形は、一般に成形に要する時間が短いの
で生産性が高く、成形品は金属と異なり錆びず、更に比
強度と比弾性率が高いことから軽量化が可能であり、自
動車産業や一般産業分野に広く用いられている。従来、
スタンパブルシートとして知られているのは、ニードル
パンチングした長繊維マットやチョップドストランドマ
ットに樹脂を含浸したものである。これらのスタンパブ
ルシートの成形物は物性上の方向性が少なく、機械的物
性は均一であることが特徴であるが、強化繊維の含有率
を上げることができず、必ずしも満足できる機械的特性
ではない。強化繊維複合材には用途によっては非常に大
きい曲げ強度と剛性が要求されるような部材もある。例
えば梁のような部材では、従来の均質なスタンパブルシ
ートを用いる場合は、設計上必要な強度を確保するた
め、全体として肉厚となり軽量化が達成しにくい。

【０００３】スタンパブルシートの機械的特性が不十分
であるということに対し、強化繊維織物と熱可塑性樹脂
フィルムとを積層し加熱プレスすることにより成形体を
製造することも行われている。織物の場合は強化繊維の
含有率を上げることができ、機械的特性を向上させるこ
とができる。しかし織物の場合は、強化繊維からなる経
糸、緯糸が交互に上下に交差した形で織物を構成してい
るため、糸の交点における溶融熱可塑性樹脂の含浸が不
十分になりやすい。熱可塑性樹脂の場合は溶融時の粘度
が熱硬化性樹脂等と比較して高いため、どうしても含浸
不良が発生しやすい。更に、織物の場合は、経糸、緯糸
が織成されているため糸の自由度が制限され、立体的な
形状を有する成形体の場合は、局部的にしわがよった
り、折れ重なったりたりすることがあり賦形性の点で問
題がある。また、織物の場合は、通常経糸と緯糸で構成
されているため、経糸方向、緯糸方向については成形体
に強度を付与することができるが斜め方向については、
十分な強度を付与することができない。

【０００４】一方熱可塑性樹脂を繊維状にしたり、粉体
にしたりして強化繊維と織物にしたり、強化繊維織物と
混合したフレキシブルな成形材料も開発され、市販され
ているが、いずれも製織工程を経るため生産性が上がら
ず、コストが高くなるという欠点がある。これらの問題
に対処する方法として、繊維状物を一方向に引き揃えた
状態で樹脂を含浸して成形し、設計上必要な量を必要部
分に用いることが考えられ、これに関して幾つかの提案
がなされている。（特開昭６２−１３９０６号、特開昭
６２−１９４２９号、特開昭６２−１１７３５号等） しかしながら一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸
して用いる場合には数々の問題点がある。そのひとつ
は、一方向に引き揃えられた繊維のみを用いて樹脂を含
浸して一体化する工程においては、繊維の配列を乱さな
いで樹脂を含浸させるためには、繊維方向に大きい張力
を与えて加熱加圧するなどの手段が必要である。

【０００５】また、樹脂として熱硬化性樹脂であるエポ
キシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂を用いる場合には、
含浸した後ある程度粘度を上昇させた、即ちＢ−ステー
ジ化や熟成とよばれる工程によって、一体化した材料を
繊維配列を乱さずに取扱えるようにする必要がある。樹
脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、樹脂が含浸さ
れて引き揃えられた繊維配列を成形前の加熱溶融によっ
て乱れないように成形型へ供給することは困難であり、
引き揃えられた繊維の相互を前もってゆるくつなぎ合わ
せておくなどの必要が生じる。また、別に一方向に引き
揃えられた繊維とチョップドストランドマットを併用す
る例においては、互いに順次重ね合わせた層を有するも
のが公知であるが、これを用いた成形物の機械的物性
は、引き揃えられた繊維方向において含有する繊維の量
に相当する程度の引張り強度の向上が見られるにすぎな
い。

【０００６】更に、一方向に引き揃えられた繊維を含有
するスタンパブルシートからなる上下の層と、中間層と
して方向性のない繊維を含有するスタンパブルシートと
を成形時に組み合わせて用いて機械的物性を向上させる
ことも考えられるが、このような方法によれば厚みの少
ない成形物を得るには、非常に薄い一方向性のスタンパ
ブルシートが必要であり、その製造上の困難さとともに
成形時に加熱溶融した状態で一方向に引き揃えられた繊
維を乱さないで、成形型内に供給することも難しく、更
に成形時の重ね合わせ作業が繁雑で実用的でない。一
方、繊維束をシート状にした形態として組布といわれる
ものがある。これは繊維束を積層し接着剤などで固定し
たもので、その積層方向により２軸組布、３軸組布、４
軸組布などがある。２軸組布の場合は、経方向の繊維束
と緯方向の繊維束が積層接着されて織物状を形成してい
るが、経方向の繊維束が緯方向の繊維束の上に積層され
ているだけのため、織物のように製織工程がいらず安価
に製造することができ、紙やアルミはくの補強材とし
て、また炭素繊維などの一方向引き揃え材の支持体など
として用途を広げつつある。同様に、４軸組布の場合も
経方向、緯方向及び互いに交差する斜め２方向の繊維束
が積層接着されてシート状を形成している。４軸組布の
製造方法に関しては、特公平３−８０９１１号公報など
に開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
の成形材料に見られる上記欠点を改良し、その産業分野
での応用範囲を広げようとするものであり、製造が容易
で、成形時の取扱い性や賦形性が良好で、且つ、成形品
の樹脂の含浸が良好で、強化繊維の含有率を高めること
ができ、しかも強度の方向性が少なく、機械的特性の優
れた成形品を可能とする成形材料を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、経材と緯
材および互いに逆方向に交差する２方向の斜交材からな
る複合材用強化繊維基材において、前記各材が熱可塑性
樹脂により被覆された連続強化繊維からなり、かつ、各
材の交点において各材が融着されている複合材用強化繊
維基材とすることにより前記課題の解決が可能であるこ
とを見出だしたものであり、また、前記緯材と斜交材が
経材の間に挟まれている複合材用強化繊維基材とするこ
とにより、更に良好に前記課題の解決が可能であること
を見出だしたものである。また、経材と緯材および互い
に逆方向に交差する２方向の斜交材からなる複合材用強
化繊維基材の製造において、前記各材に熱可塑性樹脂に
より被覆された連続強化繊維を用い、加熱プレスするこ
とにより前記各材の交点を熱融着し、４軸方向に各材が
配置されたシート状とする複合材用強化繊維基材の製造
方法により前記課題の解決を図ろうとするものである。
更に、前記複合材用強化繊維基材を成形材料として用い
て成形することにより前記課題の解決が図られた複合材
の得られることを見出だしたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の複合材用強化繊維基材を
構成する経材、緯材、斜交材は、炭素繊維、ガラス繊
維、アルミナ繊維、アラミド繊維、ポリベンツオキサゾ
ール繊維、金属繊維などの強化繊維を芯材として熱可塑
性樹脂により被覆されたものである。使用される強化繊
維のフィラメント径は２〜３０μｍの範囲のものが適
し、フィラメントの集束本数としては１００〜２０００
０本の範囲のものが用いられる。強化繊維束の形態とし
ては、単にフィラメントを引き揃えたロービング状のも
のから、よりのかかった糸の状態のものまでを含み、連
続フィラメントであれば繊維束の形態については特に限
定されない。しかし、溶融熱可塑性樹脂の含浸性を考慮
すると、よりのかかっていないロービング状の繊維束が
望ましい。また、強化繊維を被覆する熱可塑性樹脂とし
ては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、
ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフ
タレート樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリカーボネー
ト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキサイ
ド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリフェニレンサルファ
イド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹
脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などを使用するこ
とができる。

【００１０】強化繊維に熱可塑性樹脂を被覆する方法
は、本発明の出願人が出願した特開平８−３３６８７９
号によることができる。この被覆方法では、エクストル
ーダの先端に取付けられたダイス内に溶融樹脂を押出
し、更にダイス端部よりチューブ状に吐出させる。一
方、強化繊維束は、ダイスの通糸部を通り、チューブ状
に押出される溶融樹脂にダイス外で接触し、繊維束の速
度に合わせて溶融樹脂を延伸しながら被覆される。この
方法によると、溶融熱可塑性樹脂が無圧状態で被覆され
るため、繊維束中に殆ど樹脂が含浸しておらず、被覆繊
維束が柔軟性を有し、後加工時の取扱い性が良い。熱可
塑性樹脂被覆繊維束の樹脂含有率は３０〜７０（ｗｔ）
％である。以上の熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を用いて
本発明の複合材用強化繊維基材が得られる。

【００１１】次に複合材用強化繊維基材の製法について
図１および図２により説明する。図１および図２におい
て、進行方向の左右に一定のピッチで繊維束を掛けるピ
ン１，１´を配したピン列２，２´を有する循環コンベ
ア３を経方向に進行せしめ、該コンベアの上方に所定の
角度αで斜めにこれを横切る２本１組の互いに平行な軌
道４，４´、および該軌道にて両端を滑動し得るように
支えられた経方向に平行なトラバース具５を設け、軌道
に沿って往復せしめる。トラバース具５にはコンベアの
ピンのピッチと同じピッチで同方向１列に、細管からな
る多数のガイド６を配設し、多数本の樹脂被覆強化繊維
束７をガイド６を経てコンベア３上に供給する。コンベ
ヤ３のピンが被覆繊維束と同本数進行するごとにトラバ
ース具５を１往復せしめて、その方向転換時に各繊維束
をそれぞれ左右のピン１，１´に引っ掛けるようにし
て、左右のピン列２，２´間に多数本の被覆繊維束の斜
交体８を形成せしめるものである。この場合、角度αと
コンベア３およびトラバース具５の速度を調節すること
により図１における角度βを直角にすることができる。

【００１２】更に、コンベア３上に軌道４，４´と同様
な軌道９，９´を経方向に対し角度１８０−αとなるよ
うに設定し、糸ガイド１１を有するトラバース具１０を
軌道９，９´間を滑動往復できるようにし、多数本の被
覆繊維束１２をガイド１１を経て供給し、ピン列２，２
´間に同様の斜交体を形成せしめる。２つの斜交体を重
ねることにより緯材と２方向に交差する斜交材との組合
せ体１３が形成される。 図２は図１の側面図である
が、図１に経材１４，１５が追加されている。図１にて
形成された組合せ体１３を上下から挟み込むように熱可
塑性樹脂被覆繊維束からなる経材１４，１５が供給さ
れ、熱ローラ１６の所で経材１４，１５に挟まれた状態
で組合せ体１３はピンから外され、熱ローラに密着した
状態で加熱されプレスローラ１７を通る時に各材の交点
において、被覆熱可塑性樹脂が圧着され、経方向、緯方
向及び互いに斜交する斜め２方向に被覆繊維束が配され
たシート状の４軸組布１８が形成される。

【００１３】組合わせ体１３を熱ローラで加熱し、プレ
スローラで圧着する条件は、熱可塑性樹脂の種類やその
他の条件により異なり、加熱条件や圧力が大きすぎる
と、この段階で被覆樹脂が繊維束中に含浸してしまい、
出来上がった４軸組布は剛性が大きく、後工程での取扱
い性が悪くなる。従って、交点での熱融着が起こる程度
の条件が望ましい。図２においては、経材が組合せ体１
３の上下から供給されるようになっているが、場合によ
っては下方からの経材１４のみでも組合せ体１３を熱ロ
ーラに密着可能であるため、経材が片面だけの４軸組布
も可能である。本願発明の４軸組布において、斜交材の
経材に対する角度は、強度の均一性の点からすると４５
゜±３゜が望ましいが、用途によっては、２０゜〜７０
゜の範囲でも使用可能である。また互いに逆交差する斜
交材の経材に対する角度は対称の関係にあることが望ま
しい本発明の複合材用強化繊維基材は、強化繊維の連続
繊維が経方向、緯方向、斜め方向の４方向に配位されて
いるため繊維強化複合材の強化材として用いた場合、強
度の方向性の少ない複合材が得られる。また、各方向の
強化繊維が織物と異なり直線状に配置されているため、
補強材としての強度メンバーの効果を十分に発揮でき
る。本発明の複合材用強化繊維基材の製造は、前記した
ような方法に限らず、熱可塑性樹脂被覆繊維束による３
軸組布を作成しておき、これに緯材または経材を積層融
着させる方法によっても製造することができる。

【００１４】更に本発明の４軸組布は、各材が熱可塑性
樹脂により被覆されているため、繊維強化複合材を成形
する場合に、マトリックス樹脂として新たに樹脂を使用
する必要がなく、４軸組布のみで成形することができ
る。また、強化繊維束の周囲が熱可塑性樹脂で被覆され
ているため、成形時の溶融樹脂の含浸がほぼ均一に行わ
れ、強化繊維の織物の場合に見られる交点部分での含浸
不良も発生しにくい。更に、各材が交点において単に積
層融着しているだけのため、成形時の繊維のずれに対す
る自由度が大きく、複雑な形状の場合でも良好な賦形性
を有する。また、本発明の４軸組布は、製織工程を必要
としないため、生産速度を上げることができ加工コスト
の低廉化をはかることもできる。本発明の複合材用強化
繊維基材を成形材料として複合材を成形する場合、所定
の厚みになるように基材を積層し、加熱加圧して成形す
る。成形温度は結晶性樹脂の場合は融点以上、好ましく
は融点＋３０℃以上の温度条件が好ましい。非晶性樹脂
の場合は、Ｔｇ点＋（５０℃〜３００℃）の範囲、好ま
しくはＴｇ点＋（１００℃〜２００℃）の範囲の温度条
件が良い。圧力は５〜５０ｋｇ／ｃｍ² ，好ましくは１
０〜２０ｋｇ／ｃｍ² の範囲が良い。

【００１５】

【実施例】

＜実施例１＞経材、緯材、斜交材に５７０ｔｅｘのガラ
スロービングにポリアミド樹脂を被覆し８４０ｔｅｘと
したものを用いた。［日東紡績（株）製；ＲＳ５７ＰＲ
４８１，ｔｅｘ番手 ５７０ｔｅｘ，フィラメント径１
４μｍ］図１、図２に示す装置により一本おきに上下に
配置された経材の間に緯材、斜交材を挟み込み、熱プレ
スローラを通すことにより、経材、緯材、斜交材の交点
においてポリアミド樹脂が熱融着し、各材間を接着し、
複合材用強化繊維基材が得られた。得られた複合材用強
化繊維基材の質量は５６３ｇ／ｍ² で、各材の配列本数
は経方向が２０本／１０ｃｍ，緯方向が１９本／１０ｃ
ｍ，斜方向が両方向とも１４本／１０ｃｍであった。得
られた基材を５枚積層し、２７０℃の温度で加温し、１
５ｋｇ／ｃｍ² の圧力で成形した。その時の板厚みは２
ｍｍであった。

【００１６】＜実施例２＞実施例１における各材の配列
本数を経方向が９本／１０ｃｍ，緯方向が９本／１０ｃ
ｍ，斜方向が両方向とも８本／１０ｃｍとした以外は実
施例１と同様に行った。得られた複合材用強化繊維基材
の質量は２８５ｇ／ｍ² であった。得られた基材を１０
枚積層し、実施例１と同じ条件で成形し、厚さ２ｍｍの
積層板を作成した。

【００１７】＜比較例１＞ガラスクロス ＷＥＡ７６２
８［日東紡績（株）製；質量２０９ｇ／ｍ² ］を１３枚
積層し、ガラスクロスの間の層間にポリアミド樹脂フィ
ルム８０μｍを挿入し、実施例と同一条件で成形し厚さ
２ｍｍの積層板を得た。

【００１８】＜積層板の強度＞実施例、比較例のそれぞ
れの積層板について曲げ強さ、曲げ弾性率を測定した。
結果を表１にしめす。測定法はＡＳＴＭ Ｄ７９０によ
る。

【００１９】

【表１】

【００２０】＜積層板の賦形性＞実施例１の積層板と比
較例１の積層板について、予熱して半球状の型に入れ熱
プレスを行い、半球状（半径１５ｃｍ）の成形品を作成
し、強化材の状態を観察した。実施例１の積層板からの
成形品は、成形品にしわが入らず、強化材の４軸組布も
経材、緯材、斜交材の部分的なずれや裂けが見られず良
好な状態であった。これに対し、比較例１からの積層板
による成型品は、部分的にしわが入り、強化材の織物も
経糸、緯糸がずれて部分的に経糸だけ、または緯糸だけ
の部分が見られた。これは織物の場合は、経方向と緯方
向には伸びることができず、斜方向にのみ変形可能であ
るのに対し、本発明の複合材用強化繊維基材の場合は、
各材が単に積層されているだけのため各方向に自由にず
れることができるためと推定される。

【００２１】

【発明の効果】本発明の複合材用強化繊維基材は、連続
強化繊維が経、緯、斜め２方向に直線状に配置されてい
るため、複合材の強化材として用いた場合、強度の方向
による差の少ない、補強効果の良好な複合材が得られ
る。また、本発明の複合材用強化繊維基材は、各材を構
成する強化繊維束の周囲を熱可塑性樹脂が被覆している
ため、この被覆樹脂をマトリックスとすることにより良
好な樹脂含浸性が得られ、複合材の強化繊維の含有率を
高くすることもできる。この点からも機械的特性の優れ
た複合材を可能とする。更に、本発明の複合材用強化繊
維基材は、柔軟性を有し、賦形性も良好なため複雑な形
状の成形体にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合材用強化繊維基材を製造するため
の装置の平面図

【図２】本発明の複合材用強化繊維基材を製造するため
の装置の側面図

【符号の説明】

１，１´．被覆繊維束を掛けるためのピン ２，２´．ピン列 ３． 循環コンベア ４，９． トラバース軌道 ５，１０．トラバース具 ６，１１．ガイド ７，１２．緯材及び斜交材用の樹脂被覆繊維束 ８，１３．斜交体 １４，１５．経材 １６． 加熱ローラ １７． プレスローラ １８． 複合材用強化繊維基材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 経材と緯材および互いに逆方向に交差す
   る２方向の斜交材からなる複合材用強化繊維基材におい
   て、前記各材が熱可塑性樹脂により被覆された連続強化
   繊維からなり、かつ、各材の交点において各材が融着さ
   れていることを特徴とする複合材用強化繊維基材。
2. 【請求項２】 請求項１における緯材と斜交材が経材の
   間に挟まれていることを特徴とする複合材用強化繊維基
   材。
3. 【請求項３】 経材と緯材および互いに逆方向に交差す
   る２方向の斜交材からなる複合材用強化繊維基材の製造
   において、前記各材に熱可塑性樹脂により被覆された強
   化繊維を用い、加熱プレスすることにより前記各材の交
   点を熱融着しシート状とすることを特徴とする複合材用
   強化繊維基材の製造方法。
4. 【請求項４】 成形材料として請求項１の複合材用強化
   繊維基材を用いたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹
   脂複合材。