JPS6161966B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は繊維強化プラスチツク（以下FRP
と略記する）製品の製造法に関するものである。

FRPは、その軽量性、高強度特性、高弾性特
性などにより複合材料の中でもとくに注目されて
いる材料であり、従来、ハンドレイアツプ
（HLU）法、スプレイアツプ（SU）法、プリフ
オームドマツチドメタルダイ（Prf―MMD）法、
コールドプレス（CP）法、レジンインジエクシ
ヨン（RI）法、シートモールデイングコンパウ
ンド（SMC）法、真空バツグ法、フイラメント
ワインデイング（FW）法、オートクレーブ
（AC）法などにより成形されている。

上記方法のうち、最も繊維強化の効果が顕著な
ものはフイラメントワインデイング（以下FWと
略記する）法である。これは、他の成形法による
ものが、いずれも繊維を短く切断したり、織布の
ように交差部で繊維にうねりを生じたりして、繊
維本来のもつ良好な機械的特性による補強効果が
十分に発揮されていないのに対し、FW法によれ
ば、連続した繊維をそのまま巻き付けた状態で樹
脂により結合されて成形されるために、繊維本来
の補強効果が損われないからである。また、FW
法によれば、繊維体積含有率（Vf）を非常に高
めることができ、これもFRPに高強度、高弾性
を与えることがきる要因の１つである。

しかし、従来のFW法は、パイプや円筒、球状
物などを成形するのに適しているが、より複雑な
凹凸部をもつような形状のものに対しての適用は
困難または不可能であつた。また、従来、FW法
を利用した他のFRP製品の製造法として、マン
ドレルの軸に対して90゜方向に連続した樹脂含浸
繊維を巻き付け、半硬化状態でマンドレルから切
り離し、このようにして得られた一方向に強化さ
れたプリプレグを材料として真空バツグ法、オー
トクレーブ法などの成形法によつてFRR製品を
製造する方法がある。この方法では、プリプレグ
は所定の厚みになるまで積層されるが、それぞれ
の層間には繊維のからみがなく、また、同一層内
でも繊維のからみが全くないために、繊維間での
割れが生じ易く、また一度これらの欠陥が生じる
と、これを阻止する効果も非常に小さいという欠
点をもつている。

一方、FW法による円筒容器や、一方向プリプ
レグの積層成形によるFRP製品は強化繊維の効
果を十分に生かしているが、強度、弾性率におい
て極度に異方性をもつている。このため、例えば
FW法による圧力容器の製造においては、繊維間
が周方向や軸方向のあらゆる方向に強化されてい
るように注意深く計算されて巻かれており、また
一方向プリプレグの積層においても、面材などで
は均等に四方向強化する方法が一般に行われてい
る。

ここで、一方向プリプレグ積層品の異方性につ
いて、カーボン繊維強化プラスチツク（CFRP）
を例として説明すると、すべて一方向に積層した
ものの繊維方向の強度は、繊維方向に対して90゜
方向の強度の約20〜30倍である。また、０゜およ
び90゜の二方向に積層したものの繊維方向の強度
は、繊維方向に対して45゜方向の強度の約５〜７
倍であるのに対し、±22.5゜、±67.5゜の四方向に
積層したものの繊維方向の強度は、繊維間方向の
強度、例えば11.25゜方向の強度とほぼ同じであ
る。このように一方向プリプレグも四方向強化さ
れるとほとんど面内において等方性と見なすこと
ができ、均等な強度および弾性率が要求される面
材などに有効に用いることができる。

しかし、従来の一方向プリプレグの四方向積層
品は、上述した繊維間の割れや層間の剥離の生じ
易さおよびこれらの進展の阻止効果が小さいこと
以外にも欠点を有している。この欠点は、それぞ
れの方向に強化された繊維が層状をなしているこ
とに起因する。すなわち、一方向プリプレグの四
方向強化FRPは引張り応力に関してはほとんど
等方性の性質をを示すが、曲げ応力が働く場合、
異方性の性質を示す。これは曲げ応力が働く場合
に、最外層を形成している繊維方向に最も引張お
よび圧縮弾性率が大きくなる作用による。この作
用によつて、とくに肉厚の薄いFRPでは、含浸
されたマトリツクスを形成する樹脂の硬化時の収
縮や熱収縮により、最外層を形成する繊維方向を
軸として、変形する傾向をもつているため、精密
な平面および曲面を成形することは困難であつ
た。

さらに、従来の一方向プリプレグの積層による
FRPは、概して成形性が不良であるという欠点
を有している。すなわち、凹凸部をもつた形状の
ものや、曲率の大きなものの成形は、従来非常に
困難を伴う作業であつた。

そこで、この発明の発明者は、上述した欠点の
ないFRP製品の製造法を提供するために、鋭意
研究した結果、この発明を完成した。

すなわち、この発明は、繊維間の割れおよび層
間の剥離が生じにくく、また、補強繊維の効果を
最大限に生かすことができ、さらに異方性がない
上に、成形性も良好なFRP製品の製造法を提供
することを目的としている。

この目的を達成するために、この発明による
FRP製品の製造法は、複数本のフイラメントま
たはロービングの繊維束をFW法で巻き付けを行
う際に、マンドレルの軸方向に対して±22.5゜，
±67.5゜の四方向への巻き付けを順次所定回数行
うことにより、編組物を得る巻き工程と、この巻
き工程の前または巻き工程の後の適時に樹脂を含
浸させる工程と、上記編組物をマンドレルから切
り出してプリプレグ（予め樹脂を含浸させた半硬
化あるいは未硬化組組物をいう）を得る工程と、
このプリプレグを製造すべき製品の外形に合せ
て、加熱、加圧により成形する工程を含むことを
特徴とするものである。

以下、この発明の一実施例によるFRP製品の
製造法を図について説明する。

第１図は含浸工程およびこれに引続き巻き工程
を行つている状態を示す。この実施例では、まず
ボビン１から引き出されたロービング２をロール
３ａ，３ｂ，３ｃによつて樹脂槽４内に導き、こ
の樹脂槽５内の樹脂５をロービング２に含浸させ
る。次に、ロービング２を、他のロール３ｄを介
しトラバース６の目穴を通し、軸７によつて回転
されているマンドレル８に巻き付ける。この場合
に、トラバース６を通つてマンドレル８に巻き付
けられる繊維束９は１本のロービングでもよく、
また上述したと同様の含浸工程を経た複数本のフ
イラメントまたはロービングをトラバース６で集
めたものでもよい。

さらに詳しく巻き工程を説明すると、この実施
例では、繊維束９は最初回転するマンドレル８の
一端からトラバース６が他端ｆ方向へ移動するこ
とにより、巻き始められ、繊維束１０に示すよう
にマンドレル８の軸７に対して＋22.5゜の角度で
他端ｆまで巻き進められる。この他端ｆをトラバ
ース６が通過した後、今度はトラバース６が一端
ｅの方向へ移動し、繊維束１１のように上記軸７
に対して繊維束１０とは逆方向に−22.5゜の角度
で一端ｅまで巻き進められる。ここで、巻き始め
の一端ｅから再び一端ｅへ戻つて来るまでの行程
を“22.5゜巻きのサーキツト”という。引き続い
て同様に繊維束１２および１３のように軸７に対
して＋67.5゜および−67.5゜の角度で一端ｅから
他端ｆで折り返して再び一端ｅまで巻き進められ
る。この行程を“67.5゜巻きのサーキツト”とい
う。ここで、“22.5゜巻きのサーキツト”と
“67.5゜巻きのサーキツト”とは交互に巻かれる
のが相互の乗りかけ部分を分散させ、均一な
FRPが得られるので好適であるが、数回同じサ
ーキツトを繰返した後に、他のサーキツトを巻い
ても同一サーキツトの繊維が層を形成しなけれ
ば、実用上何ら問題のない編組物を得ることがで
きる。また、同一方向の繊維がマンドレル上を占
める順序についても、前回に巻かれた繊維に隣接
させてもよいし、一定間隔をあけてマンドレル上
を占めて行く方式を採用してもよい。

また、繊維はマンドレル上の全面を埋めるよう
に巻き付けてもよいし、一定の隙間を設けた格子
または網状の編組物とすることもでき、所定の厚
みが得られるまで、何回も繰り返して巻き付け、
厚物の編組物とすることもできる。

第１図において、同一サーキツト内での繊維間
隔はマンドレルの軸に対して±67.5゜に巻き付け
られた繊維ではｈ、±22.5゜に巻き付けられた繊
維についてはｇで表わされるが、上記ｈとｇとの
間にはマンドレルの径に関係なく、(g)＝（１＋√
２）×(h)の関係が成立する。このことは、均等に
四方向に強化された編組物を得るには“67.5゜巻
きのサーキツト”に対して“22.5゜巻きのサーキ
ツト”を（１＋√２）倍巻く必要があることを意
味している。しかし、巻かれる繊維束の数は整数
であるので、誤差の範囲で“67.5゜巻きのサーキ
ツト”の数と“22.5゜巻きのサーキツト”の数の
比を１：１＋√２に近い整数比としなければなら
ない。このような整数比は無数に存在するが、実
用上使用できる整数比として、５：12，12：29，
17：41，24：58，29：70などが挙げられる。

第２図は上述のようにして得られた編組物の一
部を示す。第２図に見られる交互に乗りかけた編
目模様は、クロスオーバパターン（また杉綾織）
と呼ばれ、繊維間の割れや層間の剥離を生じにく
くし、またこれらの進展を阻止する働きをもつ。
さらに、編組物はそれぞれ45゜または90゜で交差
している繊維が僅かずつずれることにより良好な
成形性を示す。

第３図は上述のようにして所定の回数を巻き終
えた編組物１４を軸７に平行な線１５および両端
ｅ，ｆで切り開いた図を示す。マンドレル８への
繊維束巻き付け工程前に樹脂含浸工程を行つた場
合には、マンドレル８に離型剤を塗布し、または
離型フイルム層１６を設けると、編組物１４の切
り出しが良好に行われる。この切り出し工程で
は、編組物に含浸された樹脂はいわゆるＢ―ステ
ージ（半硬化状態）にしておくのが作業性の面で
も、また後の成形性の面でも良好である。このた
め、含浸される樹脂は比較的低温でＢ―ステージ
化し、その後常温では容易にゲル化しない性質の
樹脂が選択される。

一方、繊維束の巻き付け工程前に樹脂含浸工程
を行わなかつた場合には、編組物を切り出す前に
マンドル上で樹脂を含浸させるか、または切り出
し後に樹脂含浸を行い、プリプレグとする。

第４図はマンドレル８から切り出したプリプレ
グ２１を型１７に合せて切断し、成形硬化させる
工程の一例として真空バツグ法の場合を示す。第
４図に示すように、プリプレグ２１は、シール材
１９によつてシールされたフイルム１８により穴
２０を通じて真空ポンプなどによつて減圧され、
これにより加圧される。さらに、全体をオーブン
などの加熱装置中に入れるか、型１７自身に加熱
装置を取り付けるかして、加熱することにより成
形硬化され、最後に離形してFRP製品の製造が
完成する。

なお、上述した真空バツグ法は一例であり、こ
の発明は、オートクレーブ（AC）法、プリフオ
ームドマツチドメタルダイ（Prf―MMD）法など
の他の成形法も、同様に適用できる。

以上説明したように、この発明によれば、FW
法によるもの特有の有効な繊維補強効果による高
強度特性、高弾性特性をもち、かつそれぞれの四
方向の繊維が１本、１本の繊維束単位で上下に拘
束し合つているために、繊維間の割れが生じにく
く、もし割れが生じてもこれの進展を阻止する作
用をもち、また積層品のように層を形成しないの
で、層間での剥離を生じない。さらに、この発明
によれば、プリプレグの状態で、一方向プリプレ
グの積層に比較して、格段にすぐれた成形性を持
ち、曲率の大きな曲面や、凹凸を有するものに対
しても比較的容易に成形することができ、しかも
一方向のプリプレグの四方向積層品に比べて、こ
の発明の製造法によつて得たFRP製品は、曲げ
応力に対しても面のすべての方向にほとんど等方
性であるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による含浸工程お
よび巻き工程を示す概略構成説明図、第２図は第
１図の工程で得られた編組物の一部を示す展開平
面図、第３図はこの発明の一実施例によるマンド
レルから編組物を切り出す工程を示す斜視図、第
４図は同編組物の成形工程を示す断面図である。 ２……ロービング、５……樹脂、７……軸、８
……マンドレル、９……繊維束、１４……編組
物、２１……プリプレグ。なお、図中同一符号は
同一部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数本のフイラメントまたはロービングの繊
   維束をフイラメントワインデイング法で巻き付け
   を行う際に、マンドレルの軸方向に対して±22.5
   ゜，±67.5゜の四方向への巻き付けを順次所定回
   数行うことにより、編組物を得る巻き工程と、こ
   の巻き工程の前または巻き工程の後の適時に樹脂
   を含浸させる工程と、上記編組物をマンドレルか
   ら切り出してプリプレグを得る工程と、このプリ
   プレグを製造すべき製品の外形に合せて、加熱、
   加圧により成形する工程を含むことを特徴とする
   繊維強化プラスチツク製品の製造法。