JPS63212517A - 複合材料成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は複合材料の製造方法に関し、更に詳細にはＩＩ
Ｎと樹脂との複合化による複合材料の製造方法に関する
。

従来技術 近年の化学・１秦の進歩に伴い、在来の材料では物性的
に不足する事態がしばしば現れる様になった。例えば航
空機における重量対比での強度と弾性率の向上の要求や
宇宙機器のコスト低減のための比強度、比弾性率の高い
素材の要求、更には自動車の軽量化に際しての外板のプ
ラスチック化における剛性不足を補う要求等である。

他方、近年の繊維工学・合成繊維研究の成果として重量
対比で鉄以上の強度と弾性率を有する繊維が開発されて
いる。例、えば炭素繊維・ＳｉＣ繊維・はう素繊維等の
無機繊維やバラ系全芳香族ボリアミド繊Ｍ（例えばデュ
ポン社；ケブラー）・全芳香族ポリエーテルアミド繊維
（帝人：テクノーラ）・高密度ポリエチレン繊ＩＩ（例
えば三井石油化学：テクミＯン）等の有機繊維である。

このようにして得られた高性能なｍｕを樹脂で固めて新
しい素材としたり、既存の樹脂や金属などにこれら繊維
を加えて補強する等の方法が考えられ、一部実用化され
ている。例えばＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ　　Ｒｅ１ｎｆｏｒ
ｃｅｄ　　Ｐｌａｓｔｉｃ）、　ＦＲＭ（Ｆｉｂｅｒ　
　Ｒｅ１ｎｆｏｒｃｅｄ　　Ｍｅｔａｌ’）でありＣＣ
（Ｃａｒｂｏｎ　−Ｃａｒｂｏｎ　）　：ｌンボジット
等である。

理論的には長繊維の方が短繊維より複合材料としての補
強効果が優れている。従ってＦＲＰの場合、最も進んだ
複合材料（一般にＡ　ｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔ
ｅとよばれる）では、長ＩＮに８ステージの熱硬化性樹
脂を組み合せたものを中門素材としてＩ＆ｎ製品が造ら
れる。

しかし、補強繊維としては短繊維は限度があり物足りな
いこと、樹脂としてＢステージの熱硬化性樹脂は経時変
化が大きく保存も含めた加工性の問題があり且つ工程と
してキュア（熱処理により硬化）を必要とすること等の
問題から熱可塑性樹脂を用いることが考えられるように
なった。従来熱可塑性樹脂を用いて中間素材を経由して
ＦＲＰ製品を造ろうとする場合、補強繊維としては単繊
維を用いるのが一般的であったが、最近の新しい試みと
して艮ｉｔｅｍと熱可塑性樹脂とを組み合せた中間素材
も検討されている。

しかし、これらの熱可塑性樹脂と長繊維を組合わせた複
合材料中間素材又は前駆体は硬くて取扱い難く、使い難
い。

この解決策として、最終的には溶融しマトリックス樹脂
化すべき熱可塑性樹脂を繊維として織物を作り、これを
複合材料中間素材又は前駆体とすることも考えられてい
る。また、補強繊維の織物とマトリックス樹脂のフィル
ムを別個に作り、成型に際してこれらを交互に積層して
フィルムを溶かす方法も考えられている。これらの方法
による中間素材は、積層して成形する際一般には織物が
伸縮性を欠くので成型物形態に１ＩＩＩ約を受け、また
、１ｌＩＩｉの接着も必ずしも良くな（、優れた中間素
材とは言い難い。

また、重要な事実として、長繊維を織った場合にはしば
しば短繊維間等の補強効果しか得られない場合が多い。

長ＩＩＮをそのまま（いわゆるＵＤ−一方向配列で）用
いても、ｉｌ雑に十分な張力をかけて引っ張らずに成型
した場合には上記と同様に満足な結果は得られない。即
ち、引張強度や弾性率が思うように上がらなかったりバ
ラついたりしやすい。

一方、複合材料の成形方法の一つとしてプレス成形を用
いる所謂スタンパブルシート法がある。

これは複合材料樹脂板を金属材料同様にプレス、成形す
るものである。この方法は相当長期に渡り開発が続けら
れたが各種の問題、特に補強繊維が強度が大で伸度が低
いことに由来する成形性の問題がある。このスタンピン
グ法には金型に依って塑性変形さｈて製品形状となる固
相スタンピング法と、金型とほぼ等容積であるが、単純
な形状をした素材を加熱し、金型により加圧して溶融流
動により最終形状に成形する加圧流動スタンピング法と
がある。本来のスタンパブルシートは前者の発想であっ
たが、現在のスタンパブルシートの大部分は後者に属し
ており、熱可塑性樹脂によるＳＭＣ法（シートトモール
デングコンバウンド）と考えられるべきものになってい
る。

発明の目的 本発明の目的はかかる樹脂と繊維の組み合せによる取り
扱い難い複合材料成型に際して、比較的容易に所期の目
的を達する方法、つまり複合材料を製品化する場合、良
好な物性を示すものとしやすい方法を本来のスタンパブ
ルシートの発想で提供することにある。

発明の構成 本発明は中程度の長さの繊維、ないし長！［で樹脂を補
強する複合材料において、補強用繊維を中・長＄１１１
のまま、つまり織らずに、一方向に引き揃えて薄層状に
並べ、この繊維層又はその複数層を、層間にプレス成形
時に実質的に繊Ｈ層間のｌ１Ｉｌ酒機能を発揮するマト
リックス樹脂を挾んだ状態に積層してプレス成型する複
合材料の製造方法である。基本的には補強繊維を一方向
に引き揃えて樹脂と一体化し、繊維と直角方向への伸展
を可能とせしめた複合材料前駆体を積層して加熱してこ
の中間素材をプレス成型することを特徴とする複合材料
の製造方法である。補強ｌｉＮを実質的に一方向に引き
揃えることが重要であり必須であり、これにより樹脂層
の延展性により繊維と直角方向に広がり得る。隣接する
繊維層との間に成形時に実質的にａ′１ｌＩＷ４作用を
発揮する樹脂層を設けることによりこの特徴は発揮され
、繊維層が複層化、殊に異なった方向に積層複層化され
ていてもプレス成形時に容易に曲面、ことに球面突起又
はこれに近い部分を持つ成型物を成形できる。つまり本
方法によると長繊維を補強に用いても曲面を成型しやす
いこともまた特徴である。

プレス成形時に中間素材板又は薄葉を積層するに際して
異種の素材を用いることも出来る。化粧用のフィルムを
加えても良い。図２にはこの例を示した。このような場
合の一般的な実施方法の例では補強ｌｌ雑又は補強繊維
の細い束と潤滑作用を有する樹脂層とが一体化した中間
素材を数層繊維方向を変えて積層し、これらの層に異な
った物性を持たせ、必要あれば最外層は化粧用フィルム
と、する。このフィルムは表面硬度の高いもの等が好ま
しい。基本的にはｍ維を一方向に引き揃えた層を複数備
えた単一の中間素材から成型する。

補強繊維と該樹脂層との一体化においては繊維は単繊維
状まで開繊しであることが好ましいが、繊維束であって
も実用上は差し障り無い。ある程度以上の繊維の量の場
合には繊維の細い束として、樹脂・接着剤ことにマトリ
ックス樹脂として用いる樹脂で固めて置くことも好まし
い。使用する繊維は比較的耐熱性のある繊維が好ましい
が繊維であれば特に対象を間はない。例えばガラス繊維
。

炭素繊維、Ｓｉ　Ｃ繊維、ボロン繊維等の無機長・中繊
維、アラミド繊維、芳香族ポリエーテルアミド繊維、ア
リレート繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維等で
ありフィルムにする樹脂のポリマーによってはポリオレ
フィン繊維等でも良いし、場合によったら麻・綿等の天
然繊維でもよい。但し、複合材料の物性から強度と弾性
率の大きな繊維が好ましい。

マトリックス樹脂としては特に限定は無い。一般には耐
熱性で７モロフアスか結晶性でも経時的変化の少ないも
のが好ましいが、本質的には用途に合わせて選択される
。加熱昇温時に一定条件で容易に軟らかくなるものが好
ましく、従って液晶性＾分子も用いられる。また、この
樹脂は、異種マトリックス樹脂の中間素材を加えて成型
する場合は樹脂間の接着性・相溶性の良いものが好まし
く、また、例えばフィルム化した場合に伸展性が優れて
いることも望ましい。樹脂の混合（ポリマーブレンド、
モレキュラーコンポジット）で改質されたものでも良い
。成型後の樹脂特性の改善等を目的に、ポリマーの橋架
けのための熱硬化性樹脂等を加えることも出来る。

繊維と樹脂の組み合せは場合によっては同一のポリマー
であっても良い。例えばポリメタフェニレンイソフタル
アミドの繊維とフィルムを組み合せて中間素材とするこ
とも出来る。

発明の効果 本発明方法により、繊維と樹脂を用いた良好な物性の複
合材料成形製品が得られる。即ち繊維の物性をより良く
活かした複合材料製品に容易に、且つ、安価に加工出来
る。この際の加工方法は一定温度以上でのプレスだけで
よい。

また、本発明によれば、補強効果として長繊維それ自体
の効果が発現される。

また、所謂、スタンパブルシート型なのでその樹脂と成
形条件の選択如何では極めて容易に、又は／及び短時間
で成型出来る。

在来のスタンパブルシートと比較した場合、長繊維を補
強材に用いておりながら容易に、且つ繊維を切断せずに
、球面を含む曲面の成形が出来る。

樹脂と成形条件を選べばプレス圧力は１Ｋｇ／Ｃｄ程度
ですら成形出来る。また成形物の物性は長１ｌＩＩを用
いるため良好であり、長繊維を用いて実質的に切断しな
いため、成形物の表面性が良好でクラス八以上の仕上が
りになる。

次に実施例及び比較例を挙げて本発明の内容と効果を説
明する。尚、実施例は本発明方法の原理とその実施の例
及びその効果の例を示しているものであり、発明の内容
をＩＩＪ約するものではない。

実施例１ ポリエチレンテレフタレート（以下ではＰＥＴと略称す
る）を溶融押出法で厚さ５０μのフィルムとした。特別
に延伸は行わなかった。

炭素繊維（東し■製：Ｔ４００炭素繊維）を開繊して金
枠に巻き付け、上記ＰＥＴフィルムを沿わせて１８０℃
でプレスした。この炭素繊維・ＰＥＴフィルム接着物は
ＰＥＴ分６８９／ｍ、炭素１１１１ｒＭ分３Ｇ９／ｍで
あった。

得られた炭素ｌＩＮ接＠ＰＥＴフィルムを２５０履ｘ　
２５０１１１１の正方形に切り、補強繊維方向を交互直
角方向に２４層重ねて２８０℃、　　１００Ｎｙ／−で
熱圧した。得られた補強板は測定の結果、次の通りであ
った。

平均密度　　　　　　　１．４９ｇ／ｄ平均体積繊維率
　　　２８．６％ 平均引張強度　　　　５６．３Ｋｇ／＃ｌｌｌ１平均引
張弾性率　　　２９２０Ｋｇ／ｍこの複合材料板を２９
０℃の熱風乾燥機の中に３０分保存し、取りだして直ち
に２００℃に保たれているトレイ状の金型でプレス形成
し、金型ごと冷水に投入して冷却し取りだした。

得られた成形物の平面部分を切りだしたサンプルの物性
の測定結果は中間素材として用いた複合材料板とほぼ同
じ値を示した。

平均密度　　　　　　１．４９に’Ｊ／Ｃｙｊ平均体積
繊維率　　　２８．６％ 平均引張強度　　　　５４．９に９／ｒｓｔｉ平均引張
弾性率　　　２０８０Ｋｇ／ＩＩＩＩＡ実施例２ 帝人化成■のパンライト■（ビスフェノールＡのポリカ
ーボネート）による５０μのフィルムと、東し−の炭素
繊維Ｔ３００を用い、実施例１と同様にして、金枠に開
繊した炭素繊維をしっかりと巻き付け、パンライトフィ
ルムを添わせて　１８０℃でプレスした。

得られた炭素繊維接着パンライトフィルムを２５０ａ＊
Ｘ　２５０１ｗの正方形に切り、繊維方向を４５゜ずつ
ずらして１６重ねて２５０℃、　　１００Ｎｙ／−で熱
圧した。この中間素材の物性は次の通りであった。

平均体積繊維率　　　２５．５％ 平均引張強度　　　　５３．６ＫＦ／ａｊ平均引張弾性
率　　　２７９２Ｄ／ａｄ実施例１と同様に、この中間
素材を２９０℃の熱風乾燥機で３０分維持して、そのま
ま２００℃、１ＯＮｇ／ｃＩ！でプレスしてトレイ状の
サンプルを得た。

実施例３ 直径６０１のドラムにパンライト■のフィルムを巻き付
け、パンライト■をメチレンクロライドに溶かした溶液
を潜りぬけた炭素繊維をまき付けて補強繊維とフィルム
の接着物を作った。即ち、５０μのポリカーボネートフ
ィルムの上にポリカーボネートの１０％メチレンクロラ
イド溶液を潜らせた炭素繊維Ｔ４００をまき付け、乾燥
して補強ｔｉａ維−ツーフィルム接着物た。− この補強ｉ１Ｍ−フィルム接着物を繊維方向を交互に直
角方向に１０層と、その外側両サイドに５０μのＰＥＴ
フィルムを重ね、全体を２８０’　　１００／（５Ｆ／
ｄでプレスした。

得られた複合材料サンプルのデータは次の通りであった
。

密度　　　　　　　　１，４５９／ｃａ１体積繊維率　
　　　　２０．５％ 引張強度　　　　　　３８．２Ｎ５Ｆ／ｒＩＭＡ引張弾
性率　　　　　２３９ＯＮ９　／　ｙｕＡこの中間素材
を２８０℃の乾燥機で加熱昇温し、取り出して直ちに２
００℃のプレスで成形してトレイ状の製品を得た。平板
部を切り取ったサンプルのデータは以下の通りであった
。

密度　　　　　　　　１．４４ｇ／ｃｄ体積ｌＩＮ率　
　　　　２０．８％ 引張強度　　　　　　３５．９Ｎ９　／　ｔｕｔｉ引張
弾性率　　　　　２２４０に９／ｍＡ実施例４ 実施例１と同様に、金枠に開繊した炭素！Ｉ帷（束し■
製炭素繊維Ｔ　４００）をしっかりと巻き付け、５０μ
のパンライト■フィル、ムを添わせて１８０℃でプレス
した。

得られた炭素繊維接着パンライトフィルムを２５０ａ＋
Ｘ　２５０＃ｌ１１１の正方形に切り、ＩＩＮ方向を９
０゜ずつずらして１６重ねて２５０℃、１０υ／−で熱
圧した。この中間素材の物性は次の通りであった。

平均体積繊維率　　　２８．５％ 平均引張強度　　　　４７．４Ｋｙ／−平均引張弾性率
　　　２７９２に９／一実施例１と同様に、この中間素
材を２９０℃の熱風乾燥機で３０分維持して、そのまま
２００℃、１Ｋｆｆ／ｃＩｉでプレスして半球状のサン
プルを得た。この成形物の表面は極めて良好で、ＩＩＮ
による表面の荒れは全く無く、表面性はクラスＡは容易
に越える物であった。

実施例５ ベクトラ■のポリマーを溶融・押出法で厚さ１００μの
フィルムとした。炭素繊維Ｔ−４００を金枠に巻き付は
上記フィルムを添わせて２８０℃、５０Ｋｇ／ｉでプレ
スして接着させた。この薄葉素材を交互に直角に１２層
重ねて２８０℃、５０に９／に１４でプレスして中１ｍ
素材とした。

この素材を２９０℃の乾燥機で加熱し、冷却しながらプ
レスして２３０℃で完了して曲面を成形した。

実施例６ 直径６０Ｃ１＋のドラムに５０μのポリカーボネートフ
ィルムを巻き、この上にＥガラスの１５００ｄｅの無撚
ガラスＩＩＨヤーンをメチレンクロライドにポリカーボ
ネートを溶かした溶液を通して巻き付けた。

乾燥させて取り外し、交互に重ねて２９０℃、１０＃／
ｃＩ！で圧縮して中間素材とした。これを２９０℃の乾
燥機で加熱昇温し、取出し後直ちに曲面プレス成形した
。良好な曲面成形が出来た。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の詳細な説明する最も簡単な例を示すもの
であり、（１）は樹脂層（成形時に繊維層の潤剤を兼ね
る）、（２は繊維または細い８Ｍ束である。 図２は具体的に本発明による中間素材を作る方法の例を
示すものであり、（１）は繊維又は細い繊維束、　（２
］はフィルム、（３）ＩＩ！Ｉ　ｔＩｌ剤及び／又は接
着テープである。（ωは一般的に例を示し、山）は特別
な例を示す。 ｌ！１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、繊維又は繊維束を一方向に引き揃えて形成された繊
   維層が、圧縮成形時に実質的に繊維層間の潤滑作用をも
   たらす樹脂層を介して積層されてなる積層体を、圧縮成
   形することを特徴とする複合材料の製造方法。 ２、当該圧縮成形前に、当該積層体を予め加熱昇温する
   特許請求の範囲第１項記載の複合材料の製造方法。 ３、当該樹脂層が樹脂フィルムである特許請求の範囲１
   項又は第２項記載の複合材料の製 造方法。 ４、当該繊維層と当該樹脂フィルムとが、積層前にスポ
   ット接着されている特許請求の範囲第３項記載の複合材
   料の製造方法。 ５、当該積層体を、圧縮成形前に、ガラス転移点以上で
   樹脂の融点近傍以下の温度に加熱し、且つプレス成形後
   の温度を上記温度以下とする複合材料の製造方法。