JPWO2013175581A1 - 繊維強化プラスチックおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
スライバーの場合、長さ30cmにカットした試験体を、また、ウエブの場合、1辺30cmの正方形にカットした試験体を500℃に加熱した電気炉の中で1時間加熱して有機繊維を焼き飛ばした。残った無機繊維の集合体を用いて、JIS L1015に規定される方法に従って、不連続な無機繊維の重量平均繊維長Lw及び数平均繊維長Lnを測定した。
繊維強化プラスチックから45°づつ方向を変えて4つの方向に試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い、各切り出し方向について引張強度をn=5で評価した。得られた4つの方向の引張強度の内、最大のものをSmax、最小のものをSminとし、異方性を(Smax―Smin)/Smaxとして求めた。
JIS K7164法に従い、引張強度をn=5で評価した。
繊維強化プラスチックの成形品から約2gのサンプルを切り出し、その質量を測定した。その後、サンプルを500℃に加熱した電気炉の中で1時間加熱してマトリックス樹脂を焼き飛ばした。室温まで冷却してから、残った無機繊維の質量を測定した。無機繊維の質量に対する、マトリックス樹脂を焼き飛ばす前のサンプルの質量に対する比率を測定し、無機繊維の含有率とした。
2400本の炭素繊維単繊維から構成される炭素繊維束(「T700S」、東レ株式会社製)を長さ50mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入し、炭素繊維束を開繊した後、再度開綿機に投入し、当初の太さの炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維とナイロン6不連続繊維(単繊維繊度1.7dtex、捲縮数12山/25mm、捲縮度13%、カット長51mm)を質量比で50:50の割合で混合した。この混合物を再度、開綿機に投入して、炭素繊維とナイロン6繊維とからなる混合原綿(繊維集合体)を得た。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を長さ25mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入して当初の太さの炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維と実施例1で用いたものと同じナイロン6不連続繊維を質量比で90:10の割合で混合した。この混合物を再度、開綿機に投入して、炭素繊維とナイロン6繊維とからなる繊維集合体を得た。この繊維集合体を用いて実施例1と同様の方法でスライバーを作製した。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を長さ75mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入して炭素繊維を開繊する工程を2回繰り返して、当初の太さの炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維とポリフェニレンスルフィド(PPS)不連続繊維(単繊維繊度2.2dtex、捲縮数14山/25mm、捲縮度16%、カット長51mm)を質量比で95:5の割合で混合した。この混合物を再度、開綿機に投入して、炭素繊維とPPS繊維とからなる繊維集合体を得た。この繊維集合体を用いて実施例1と同様の方法でスライバーを作製した。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維を用いて3対のローラーからなる牽切紡装置を用い、不連続な炭素繊維からなるスライバーを作製した。得られたスライバーにおいて炭素繊維の重量平均繊維長Lwは102mm、数平均繊維長Lnは144mmであり、Lw/Lnは1.41であった。このスライバーと別途作製したナイロン6不連続繊維(単繊維繊度1.7dtex、捲縮数10山/25mm、捲縮度11%、カット長51mm)からなるスライバーを質量比で50:50の割合で混合し、実施例1と同様の方法で紡績糸とし、さらにその紡績糸を用いて実施例1と同様の方法で織物を作製した。得られた織物を実施例1と同様の方法で加工し炭素繊維強化複合材料の平板を作製した。得られた平板の引張強度を測定したところ、710MPaであった。また上記平織物を8枚積層し、これらを最大直径における曲率半径が300mmである半球状の雌型上に配置した。配置された平織物を、最大直径における曲率半径が301mmである同形状の雌型によって挟んで加圧し、半球状のプリフォームを得た。得られたプリフォームは皺が発生しており、RTM用基材として使用できるものではなかった。
実施例1で作製した粗糸を連続的に赤外線ヒーターにて加熱しナイロン6を溶融したのち、冷却固化し、更に10mmにカットして射出成形材料を作製した。この射出成形材料とナイロン6樹脂(「CM1001」、東レ株式会社製)とを、炭素繊維とナイロン6が質量比で20:80になるように混合して射出成形を行い、炭素繊維強化複合材料の平板を得た。得られた平板の引張強度を測定したところ、350MPaであった。また、得られた成形品の断面を研磨し、拡大して観察したところ炭素繊維が単繊維状に均一に分散していた。
エクストルーダーで溶融したナイロン6樹脂(「CM1001」、東レ株式会社製)を供給しているクロスヘッドに実施例1で用いた炭素繊維を走行させ、炭素繊維にナイロン樹脂を含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、炭素繊維とナイロン樹脂の質量比が20:80である、長さ10mmの射出成形材料を得た。この射出成形材料を射出成形し炭素繊維強化複合材料の平板を得た。得られた平板の引張強度を測定したところ、310MPaであった。また、得られた成形品の断面を研磨し、拡大して観察したところ一部の炭素繊維は束状に存在しており、また、炭素繊維の分布も不均一であった。また、得られた成形品における異方性を前述の方法により測定したところ、異方性は35%であった。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を長さ75mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入し、炭素繊維束を開繊した後、再度開綿機に投入し、当初の太さの繊維束が殆ど存在しない、綿状の繊維集合体を得た。この繊維集合体を実施例1で用いたカーディング装置に投入し、炭素繊維からなるウエブを形成し、このウエブの上にナイロン6樹脂粒子(「TR−1」、東レ株式会社製)を散布した後、ウエブの幅を狭めながらロープ状として引き取り、走行させながら250℃の熱風で加熱してナイロン6粒子を溶融した後、金属ロールで冷却してナイロン6を固化せしめてスライバーを得た。
スクリュー式押し出し機からナイロン6樹脂(「CM1001」、東レ株式会社製)を溶融してスリット状のダイに供給しながら、実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を該ダイ中を走行させて炭素繊維束にナイロン6樹脂を含浸した後、金属ロールで冷却してナイロン6を固化せしめてテープ状の基材を得た。このテープ状基材を25mmにカットしてプレス成型材料を得た。得られたプレス成形材料を用い、実施例5と同じ方法で炭素繊維とナイロン6の質量比が40:60である炭素繊維強化複合材料の平板を得た。得られた平板の引張強度を測定したところ、315MPaであった。また、得られた成形品における異方性を前述の方法により測定したところ、異方性は33%であった。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を長さ25mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入して当初の太さの炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維とフェノキシ樹脂からなる不連続繊維(単繊維繊度2.5dtex、捲縮数13山/25mm、捲縮度15%、カット長51mm)を質量比で85:15の割合で混合した。この混合物を再度、開綿機に投入して、炭素繊維とフェノキシ樹脂繊維とからなる繊維集合体を得た。この繊維集合体を用いて実施例1と同様の方法でスライバーを作製した。
実施例1で用いたものと同じ炭素繊維束を長さ15mmにカットした。カットした炭素繊維束を開綿機に投入して当初の太さの炭素繊維束がほとんど存在しない、綿状の炭素繊維を得た。この綿状の炭素繊維とナイロン6不連続繊維(単繊維繊度3.3dtex、捲縮数16山/25mm、捲縮度15%、カット長51mm)を質量比で50:50の割合で混合した。この混合物を再度、開綿機に投入して、炭素繊維とナイロン6繊維とからなる混合原綿(繊維集合体)を得た。
炭素繊維束をカットする長さを30mmとし、シリンダーロールの回転速度を200rpm、ドッファーの速度を9m/分とする以外は実施例7と同様の方法で炭素繊維とナイロン6不連続繊維からなる目付け110g/m2のシートを作製した。得られたウエブにおいて、炭素繊維の重量平均繊維長Lwは23mm、数平均繊維長Lnは12mmであり、Lw/Lnは1.92であった。このシートを用いて実施例7と同様の方法で、炭素繊維強化複合材料の平板を得た。得られた平板の引張強度を測定したところ、310MPaであった。また、得られた成形品としての平板における異方性を前述の方法により測定したところ、異方性は9%であった。
2 シリンダーロール
3 テイクインロール
4 ドッファーロール
5 ワーカーロール
6 ストリッパーロール
7 フィードロール
8 ベルトコンベアー
9 繊維集合体
10 ウエブ
Claims (19)
- 数平均繊維長Lnが10mm以上である不連続な無機繊維が概略同じ方向に揃って開繊した状態で存在し、繊維同士の摩擦および/または絡みによって形態を保持してなり、前記不連続な無機繊維の重量平均繊維長がLwであるときにLw/Lnが1.0〜1.3の範囲にある繊維材料に、マトリックス樹脂を含浸させた繊維強化プラスチックであって、引張強度の異方性が20%以下であることを特徴とする繊維強化プラスチック。
- 前記繊維材料がさらに不連続な有機繊維を含んでなり、該繊維材料にマトリックス樹脂を含浸してなる、請求項1に記載の繊維強化プラスチック。
- 前記不連続な有機繊維が、ポリアミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維及びフェノキシ樹脂繊維からなる群より選ばれる少なくとも1種の繊維である、請求項2に記載の繊維強化プラスチック。
- 前記不連続な無機繊維の数平均繊維長が10〜100mmの範囲にある、請求項1〜3のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記不連続な無機繊維の含有率が前記繊維材料の質量に対し20質量%以上である、請求項1〜4のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記不連続な無機繊維が炭素繊維である、請求項1〜5のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記不連続な無機繊維の単繊維同士が実質的に非融着である、請求項1〜6のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記繊維材料がウェブまたはスライバーである、請求項1〜7のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記マトリックス樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選ばれたものである、請求項1〜8のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 前記繊維材料に250℃での溶融粘度が10Pa・s以上300Pa・s以下のポリアミド樹脂を含浸してなる、請求項9に記載の繊維強化プラスチック。
- 前記繊維材料に結晶化温度が130℃以上160℃以下のポリアミド樹脂を含浸してなる、請求項9または10に記載の繊維強化プラスチック。
- 前記繊維材料に310℃での溶融粘度が50Pa・s以上300Pa・s以下のポリフェニレンスルフィド樹脂を含浸してなる、請求項9に記載の繊維強化プラスチック。
- 数平均繊維長が10〜120mmの範囲にあり繊維長が実質的に一定である不連続な無機繊維を含む繊維集合体をカーディングして繊維材料を作製する工程と、前記繊維材料にマトリックス樹脂を含浸させ引張強度の異方性が20%以下である繊維強化プラスチックを作製する工程とを有することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記カーディングを行うにあたって、カーディング装置内のシリンダーロールとワーカーロールとの間のクリアランスを0.02mm以上0.2mm以下とする、請求項13に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記数平均繊維長が20〜120mmの範囲にある、請求項13または14に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記繊維集合体が、さらに不連続な有機繊維を含む、請求項13〜15のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記不連続な有機繊維がポリアミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維及びフェノキシ樹脂繊維からなる群より選ばれる少なくとも1種の繊維である、請求項16に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記不連続な無機繊維が炭素繊維である、請求項13〜17のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記繊維集合体をカーディングする工程を経てウェブを得、かつ、該ウェブを収束してスライバーを作製する工程を備える、請求項13〜18のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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