JPS6228746B2

JPS6228746B2 -

Info

Publication number: JPS6228746B2
Application number: JP57054247A
Authority: JP
Inventors: Akira Nishimura
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1987-06-22
Also published as: JPS58171945A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は多層プリプレグに関し、さらに詳しく
は、繊維強化樹脂、それも特に厚肉の繊維強化樹
脂を成形する場合に好適な多層プリプレグに関す
る。

繊維強化樹脂（以下、FRPという）は、たと
えば、炭素繊維やガラス繊維の如き補強用繊維
の、厚み、0.05〜0.5（mm）程度の比較的薄い一
方向性プリプレグや織物プリプレグを、その補強
用繊維が所定の方向を向くようにして１枚ずつ積
み重ね、加熱加圧してプリプレグの熱硬化性樹脂
を硬化させることによつて成形している。しかし
ながら、そのようにして成形したFRPは、プリ
プレグの積層方向、つまりFRPの厚み方向に補
強用繊維が全く存在していないので、厚み方向の
引張応力や面内方向の剪断応力が加わつたような
場合に層間剥離が起こりやすいという欠点があつ
た。また、製造方法上も、プリプレグをその補強
用繊維が所定の方向を向くようにして１枚ずつ積
み重ねるのは大変やつかいであるし、単純な作業
であるゆえに作業員にあきがきて、補強用繊維の
配列方向が乱れてきたり、時にはプリプレグに付
いている離型紙の剥ぎ取りを忘れたまま積層する
といつた問題があつた。そして、そのような場
合、得られたFRPの機械的強度は一層低いもの
であつた。

一方、補強用繊維の、たとえば多重織物に熱硬
化性樹脂を含浸、硬化せしめることによるFRP
の成形方法も知られている。しかしながら、この
成形方法によるFRPもまた、機械的強度が低い
という欠点があつた。すなわち、多重織物のよう
な厚い補強用繊維基材を使用し、その内部まで一
様に樹脂を含浸しようとすると、樹脂をメチルエ
チルケトンやアセトンなどの溶媒で希釈し、その
粘度を十分下げておく必要がある。しかして、成
形時にはその溶媒をとばしてしまうわけである
が、基材の内部にあるものまでも完全にとばすの
は困難で、そのため樹脂マトリクス中に溶媒が残
存したり、溶媒による気泡が生成したりして、高
い機械的強度を発現させるのが難しいのである。
また、多重織物であるとはいつても、その層数は
通常４〜５層程度までであり、したがつてそれ以
上の厚肉のFRPを成形しようとするとやはり積
層を行うことになつて、上述した一方向性プリプ
レグや織物プリプレグを使用する場合と同様の欠
点を生じてしまう。

本発明の目的は、従来技術の上記欠点を解決
し、成形作業を容易に行うことができ、しかも機
械的強度、特に層間剥離強度の高いFRPを得る
ことができる多層プリプレグを提供するにある。

上記目的を達成するための本発明は、複数枚
の、シート状補強用繊維にＢ−ステージの熱硬化
性樹脂が含浸されているプリプレグが積層され、
かつそれら複数枚のプリプレグは、前記補強用繊
維よりも大きな破断伸度を有する補強用繊維から
なるステイツチ糸によつて単環縫いされ、一体に
保持されている多層プリプレグを特徴とするもの
である。

本発明の多層プリプレグを詳細に説明するに、
図面は、本発明に係る多層プリプレグの一実施例
を示す、一部切欠した概略斜視図である。

図面において、多層プリプレグ１は、補強用繊
維の連続繊維を互いに並行かつシート状に引き揃
えたものに熱硬化性樹脂を含浸、予備硬化せしめ
てなる、いわゆる一方向性プリプレグ２〜９を、
多層プリプレグ１の長手方向に対する補強用繊維
の方向が、最も下にある一方向性プリプレグ２か
ら上に向かつて順に０゜，＋45゜，−45゜，＋90
゜，＋90゜，−45゜，＋45゜，０゜であるように積
層してなる積層体を有し、この積層体には、補強
用繊維のステイツチ糸１０が上記積層体の表面か
ら裏面へ、また裏面から表面へと厚み方向に繰り
返し貫通しながら長手方向に等ピツチで延在し
て、上記８枚の一方向性プリプレグ２，３，４，
５，６，７，８および９を一体に保持している。
上記スイツチ糸１０はまた、多層プリプレグ１の
幅方向に等間隔で複数本設けられ、８枚の一方向
性プリプレグ２〜９を多層プリプレグ１の全面に
わたつて一体に保持している。そして、この実施
例の多層プリプレグ１は、その長手方向、幅方向
およびバイアス方向の３方向に補強用繊維が存在
しているので、FRPを成形した場合にそのFRP
に面内凝似等方の性質を与えることができるもの
である。また、真中の２枚の一方向性プリプレグ
５，６からみて対称の位置にある２枚の一方向性
プリプレグ、すなわち一方向性プリプレグ４と
７、３と８および２と９は、その補強用繊維の方
向が同一であり、また厚みも互いに同一であるの
で、補強用繊維と熱硬化性樹脂との熱線膨張係数
が異なることによる、FRPの反りの発生をも防
止することができるものである。

上記実施例においては、一方向性プリプレグの
積層枚数が８枚である場合について説明したが、
８枚である必要は全くなく、２枚以上であればよ
い。また、長手方向および／または幅方向におい
て積層枚数を変更すれば、部分的に厚みの異なる
FRPを成形することもできるようになる。

また、プリプレグの一体保持が多層プリプレグ
の全面にわたつて行われている必要は必ずしもな
く、一体に保持されている部分と、一体には保持
されていない、少なくとも２層に拡開可能な部分
とからなつていてもよい。かかる技術的思想は、
特願昭56−185649号（特開昭58−87042）明細書
で、同様のものが多層基材について説明されてい
るが、拡開可能な部分を開くことによつてＨ型や
Ｉ型のFRPを成形するような場合に特に好まし
いものである。

プリプレグは一方向性のものである必要は必ず
しもない。たとえば、織物プリプレグや短繊維マ
ツトプリプレグのようなものであつてもよい。織
物プリプレグとして、特開昭55−30974号公報に
記載されているような、実質的に屈曲を有しない
真直ぐな補強用繊維を互いに略平行かつシート状
に引き揃えてなる２個の糸条群を補助繊維によつ
て一体に織成した、いわゆるノンクリンプ織物の
プリプレグを使用すると、補強用繊維が応力の集
中するような屈曲を有していないために、特に面
内において補強用繊維の特性が十分に発現され、
FRPの機械的強度や破壊強度が一層高くなる。
この点では上記一方向性プリプレグも同様である
が、一方向性プリプレグの場合には、補強用繊維
が拡開しやすいために、一体保持に際して、ステ
イツチ糸を通すニードル自身による補強用繊維の
切断が少ないという別の利点もある。また、プリ
プレグは同一種類のものを積層することであつて
もよいし、異なる種類のものを積層することであ
つてもよい。たとえば、内層を織物プリプレグと
し、外層を一方向性プリプレグで構成するといつ
た、異なる種類のプリプレグを組み合わせて使用
することができる。さらに、積層体は同一種類の
補強用繊維のプリプレグからなつていてもよい
し、異なる種類の補強用繊維のプリプレグの組み
合わせであつてもよい。たとえば、内層を炭素繊
維のプリプレグとし、外層をガラス繊維のプリプ
レグとするようなことができる。

上述したようなプリプレグを構成している補強
用繊維は、たとえば炭素繊維、ガラス繊維、ポリ
アラミド繊維、シリコンカーバイド繊維のような
高強度、高弾性繊維である。同一プリプレグにつ
いて異なる種類の補強用繊維、たとえば炭素繊維
とガラス繊維が併用されていてもよい。そして、
上記補強用繊維は、通常、マルチフイラメントか
らなつており、その撚数は、プリプレグにする際
の熱硬化性樹脂の含浸性をよくするため、また補
強用繊維の体積含有率を高くするため、さらに一
体に保持する際に切断されるのを防止するため、
できるだけ少ないのが好ましい。特に、炭素繊維
の場合には、炭素繊維は弾性率が極めて高く、か
つ破断伸度が小さいために曲げの力に対して弱い
という特性をもつているから、実質的に無撚りで
あるのが好ましい。

プリプレグを構成している熱硬化性樹脂は、た
とえば不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、
フエノール樹脂のようなものである。なかでも、
エポキシ樹脂が最も好ましい。プリプレグ中に占
める熱硬化性樹脂の割合は40〜60（体積％）程度
である。そして、このような熱硬化性樹脂は半硬
化、つまりＢ−ステージの状態にある。

ステイツチ糸は、積層された各プリプレグを一
体に保持するとともに、FRPにおいてその層間
剥離を防止するものである。層間剥離の防止を効
果的に行うために、これらステイツチ糸は、積層
体の面に垂直な方向に対して−15゜〜＋15゜の範
囲にあるのが好ましい。最も好ましいのは、０
゜、つまり上記面と垂直にあることである。すな
わち、FRPは繊維軸方向に最も高強度で、その
方向から離れるのにしたがつて強度が急激に低下
するという性質をもつているから、層間剥離を効
果的に防止するためには、ステイツチ糸は上記角
度範囲にあるのが好ましいわけである。

ステイツチ糸は、プリプレグを構成している補
強用繊維と同様、炭素繊維、ガラス繊維、ポリア
ラミド繊維、金属繊維などの高強度、高弾性繊維
の、好ましくはマルチフイラメントからなつてい
る。そして、ステイツチ糸は単環縫いによつて各
プリプレグを一体に保持しているが、そのため大
きく屈曲していて、FRPに応力が加わつた場合
にその屈曲部に応力が集中し、プリプレグの補強
用繊維の破断に先立つてステイツチ糸が破断して
その部分からFRPの破壊が進行することがあ
る。そのため、ステイツチ糸は、プリプレグを構
成している補強用繊維との関係においては、上記
補強用繊維の破断伸度よりも大きな破断伸度、で
きれば３倍以上の破断伸度をもつもので構成す
る。たとえば、プリプレグを構成している補強用
繊維が炭素繊維である場合には、ステイツチ糸は
ポリアラミド繊維またはガラス繊維であるのが好
ましい。

上述したような多層プリプレグは、たとえば、
プリプレグをその補強用繊維が任意の方向を向く
ようにして所望の枚数積み重ね、それらプリプレ
グを、ニードルに通したステイツチ糸によつて一
体に保持することによつて製造することができ
る。その場合、プリプレグの補強用繊維はＢ−ス
テージ状態の樹脂で結合されていて動きにくい状
態にあるから、ニードルがプリプレグを貫通する
際に、それらの断面積に相当する面積の補強用繊
維が切断されてしまうことがある。これを防止す
るために、プリプレグおよび／またはニードル
を、熱硬化性樹脂のゲル化温度未満の温度に加熱
しておき、熱硬化性樹脂の粘度を下げて補強用繊
維が逃げやすくしてやるとよい。また、一体保持
の工程でプリプレグの積層体がローラやガイド等
に接触し、それらに熱硬化性樹脂が付着してスム
ーズな走行が阻害されるような場合には、積層体
の両外表面に薄いガラス繊維織物やポリアラミド
繊維織物を重ね合わせ、プリプレグといつしよに
一体保持するようにしてもよい。さらに、ステイ
ツチ糸にプリプレグと同一種類の熱硬化性樹脂を
あらかじめ含浸し、プリプレグ化しておくと、一
体保持をやや行いにくくするという問題はあるも
のの、FRP中における樹脂分布をより一様にす
ることができ、またボイドもより少なくなるので
好ましい。

本発明の多層プリプレグによるFRPの成形
は、従来周知の、たとえばプレス成形法やオート
クレーブ成形法によつて行うことができる。

以上説明したように、本発明の多層プリプレグ
は、複数枚のシート状プリプレグを積層し、かつ
それら積層したプリプレグを、そのプリプレグに
使用している補強用繊維よりも大きな破断伸度を
もつ補強用繊維からなるステイツチ糸によつて単
環縫いし、一体に保持してなるものであるから、
機械的強度、特に層間剥離強度の高いFRPを成
形することができるようになる。すなわちFRP
にその厚み方向の引張応力や面内方向の剪断応力
が加わつたような場合でも、それによる層間剥離
が上記ステイツチ糸によつて防止されるわけであ
る。また、本発明の多層プリプレグによれば、プ
リプレグをその補強用繊維が所定の方向を向くよ
うにして１枚ずつ積み重ねるというやつかいな作
業を行う必要がなくなり、成形作業の手間が大幅
に省けるばかりか、補強用繊維の配列の乱れや、
プリプレグの離型紙を剥ぎ取るのを忘れたまま積
層するといつた事故をも防止することができ、一
層高い機械的強度をもつFRPを得ることができ
るようになる。さらに、本発明の多層プリプレグ
を使用すれば、多層の補強用繊維基材を用いる場
合のように、樹脂マトリクス中に溶媒が残存した
り、溶媒による気泡を生成したりするようなこと
を防止できるので、この面でも高い機械的強度の
FRPを得ることができるようになる。さらにま
た、本発明は、大きく屈曲せざるを得ないために
応力集中が避けられないステイツチ糸に、プリプ
レグに使用している補強用繊維よりも大きな破断
伸度、好ましくは３倍以上大きな破断伸度をもつ
補強用繊維を使用しているから、FRPに応力が
加わつた場合に、プリプレグの補強用繊維の破断
に先立つてステイツチ糸がその屈曲部分で破断し
てその部分からFRPの破壊が一気に進行するの
を防止することができ、この面からもFRPの機
械的強度を大きく向上させることができる。ま
た、単環縫いを採用したことにより、プリプレグ
の縫合、一体化をミシン等により工業的に行うこ
とができ、生産性が向上するばかりか、ニードル
が貫通する際にプリプレグの補強用繊維を傷付け
る心配も少なく、このことによつてもFRPの機
械的強度をさらに向上させることができる。

本発明の多層プリプレグは、いろいろな用途の
FRPを成形する場合に使用することができる
が、機械的強度、とりわけ層間剥離強度が高く、
信頼性の高いFRPが得られることから、航空機
のFRP一次構造材、たとえば翼のスキン材や、
翼や床などの桁材として使用するＨ型材、Ｉ型
材、Ｔ型材などを成形するような場合に特に好適
である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の多層プリプレグを示す概略斜
視図である。１：多層プリプレグ、２〜９：シート状プリプ
レグ、１０：ステイツチ糸。

Claims

【特許請求の範囲】

１複数枚の、シート状補強用繊維にＢ−ステー
ジの熱硬化性樹脂が含浸されているプリプレグが
積層され、かつそれら複数枚のプリプレグは、前
記補強用繊維よりも大きな破断伸度を有する補強
用繊維からなるステイツチ糸によつて単環縫いさ
れ、一体に保持されていることを特徴とする多層
プリプレグ。