JPWO2014061384A1 - 連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
コミングルヤーンは、含浸性に優れてはいるものの、汎用的な熱可塑性樹脂との限定的な組み合わせしか選べないといった制約や、混繊過程で強化繊維が損傷するという問題がある。
また、プリプレグテープは、予め樹脂が繊維に含浸されているため、含浸に時間がかからないという特長があるが、繊維束ではなくテープ状であり剛性が高いため、適用可能な形状が平面や曲面に限られるという問題がある。
このように、熱可塑性樹脂を母材樹脂とし、連続繊維を強化繊維とした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、熱硬化性樹脂複合材料に比べリサイクル性能を有し、繊維が連続しているため強化繊維の強度を最大に活かすことができることから、自動車や航空機向け構造材料として、大幅な需要の拡大が期待されている。
連続繊維強化複合材料においては、樹脂を十分に連続繊維束の中に含浸させることにより、多数本の連続繊維すべての優れた剛性と強度を引き出すことが可能となるため、含浸不十分の成形品では、力学的特性の低下が起こる原因となる。そのため、未含浸の領域をできるだけ減らすことが重要となる。
現在、連続繊維強化熱可塑性複合材料作製のために、樹脂をできるだけ連続繊維に含浸させやすくした種々の中間材料および成形方法が開発されており、それら従来技術の具体的な特徴と問題点は以下の通りである。
しかし、この発明は、熱可塑性樹脂繊維の管状体によって強化用繊維を被覆しているものであるため、含浸しにくい、含浸時間が長い、などの問題点を有している。
この中間材料の特長としては、既に説明した通り、どのような繊維材料の組み合わせであっても、組物技術により被覆するだけなので中間材料が容易に作製できること、および、樹脂繊維の割合を容易に制御でき、強化繊維を被覆することによって繊維の損傷が押さえられることも特長である。
この現象により、樹脂繊維が溶けて連続繊維束1の内部に含浸するまでの距離T2が長くなり、含浸に時間がかかってしまう。また、締め付けによって連続繊維の束の密度が高くなるため、これも含浸を阻害する要因となる。
(1)連続繊維の束の径より一回り大きな径のガイド(例えば金属丸棒又は金属パイプ)に対し、熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造(例えば組物構造、織物構造又は編物構造)にて連続繊維束を被覆することにより、連続繊維束に対する締め付けが無い中間材料を作製する。
(2)熱可塑性樹脂繊維を組物構造を使って被覆させるときにおいては、長手方向に対して斜めに配向された組糸だけでなく、長手方向に配向された中央糸を組糸間に挿入することにより、組物構造の変形を抑え、連続繊維束に対する締め付けを抑制する。
なお、従来のマイクロブレーデッドヤーンにおいて、中央糸を挿入する技術は、組物構造物の強度を増す目的で用いられている。しかしながら、本発明においては、(1)で作製する連続繊維束よりも一回り大きい組物構造の形状を維持するためという目的で挿入させる点が特徴である。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体。』を特徴とする。
(a)長手方向に対して斜めに配向された組糸と、当該組糸間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する組物構造
(b)長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する織物構造
(c)ループを形成する糸からなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する編物構造
上記(a)〜(c)のいずれかの構造となっていることを特徴とする。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、前記ガイドの内側に前記連続繊維束を挿通し、当該連続繊維束と、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造とを同時に前記ガイドから抜き取ることにより、前記被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
さらに、本発明の前記連続繊維束は、そのアスペクト比が1.2以上の値となるように変形可能であることを特徴とする。
また、本発明の前記連続繊維束は、好ましくは、そのアスペクト比が3〜10の値となるように変形可能であることを特徴とする。
従って、本発明の強化繊維/樹脂繊維複合体においては、従来と同じ温度、同じ圧力、同じ時間でプレス成形を行った場合に、含浸していない割合(未含浸率)が著しく低下し、成形時間を大幅に短縮させることができるとともに、成形品の強度を高めることも可能となった。
なお、複合材料の形状が本発明において偏平化又は楕円形化することによる支障は、生じない。
また、本発明の強化繊維/樹脂繊維複合体は、熱可塑性樹脂繊維を用いるものであるため、リサイクルや二次加工を容易に行うこともできる。
本発明において、前記連続繊維束が「偏平」に変形している状態としては、前記連続繊維束のアスペクト比として約3〜10程度のものが好適に含まれる。
即ち、連続繊維束の断面形状が楕円形である場合の長径:短径の比が3〜10であるもの、又は、連続繊維束の断面形状が長方形である場合の長辺:短辺の比が3〜10であるものが本発明の実施形態として好適である。
そして、連続繊維束の断面形状が図1に例示した状態のものであれば、そのアスペクト比は約4.0となる。
ここで、図11に示すように、連続繊維束の断面形状がほぼ円形であって、指でつぶすように押さえつけても連続繊維束のアスペクト比が1.2以上の値に変形しないものは、被覆が連続繊維束を締め付けているものと考えられ、本発明の範囲外のものであると考えられる。
さらに、これらの材料を2種以上適宜組み合わせて使用したり、同一材料で太さや形状の異なるものを組み合わせて使用したり、紡糸したものを使用することもできる。
また、本発明において、前記熱可塑性樹脂繊維は、長手方向に対して斜めに連続的に配向された組糸2aと、当該組糸2a間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸2bとからなる組物構造20であって、前記連続繊維束1の周囲を常時緩く網状に被覆するものであることが望ましい(図1、図2参照)。
従って、連続繊維束1の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束1の中心までの距離(厚み)が短くなるため、熱可塑性樹脂繊維の被覆2が溶融した樹脂が連続繊維束1に含浸する時間が短くなるという効果を得ることができる。また、連続繊維束1の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束1にさらに含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
図3(A)に示すように中央糸を含まない組物構造21であったり、
図3(B)に示すように長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束1の周囲を網状に被覆する織物構造22,23,24、又は、
図3(C)に示すようにループを形成する糸からなり、前記連続繊維束1の周囲を網状に被覆する編物構造25,26、を採用してもよい。
朱子織は経糸と緯糸の交差点をなるべく少なくし、さらにその交差点を連続しないように分散させた構造である。図3(B)における右側の図は5枚朱子の例を示しており1本の糸の上(または下)を交差し、4本の糸の下(または上)を交差する構造を有している。
強化繊維/樹脂繊維複合体を構成する連続繊維束の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造として有益である緯編物の特長のひとつは、その高い伸縮性(破断ひずみが100%以上)であり、複雑形状への賦型性に優れる。平編以外にも、様々な構造を有する緯編物により、連続繊維束1の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造が作製可能である。
この実施例の強化繊維/樹脂繊維複合体10を偏平に変形させた場合のアスペクト比は、約7となる。
このため、連続繊維束1の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束1の中心までの距離が短くなるため、含浸時間が短くなるという効果を得ることができる。
また、連続繊維束1の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束1によりいっそう含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
本発明による連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の中間材料についての具体的な成形条件としては、およそ下記のとおりである。
成形温度・・・樹脂の融点+摂氏30度程度
圧力・・・1〜10MPa
成形時間・・・1〜30分
このガイドG1の形状は、図5(A)に示すように好ましくは円筒状(パイプ状)であるが、図5(B)に示すように円筒の一部を切り欠いたガイドG2(断面C字状又は断面U字状)であってもよく、また、複数本の棒状体又は断面が弧状の板状体からなるガイドG3,G4であってもよい。
上記のように複数本の棒状体又は板状体からガイドを構成する場合には、図5(C),(D)に示すようにそれらを円周上に並べるように配置するのが好ましい。
そして、ガイドG1の内側に連続繊維1aからなる連続繊維束1を通し、熱可塑性樹脂繊維による被覆構造(組物構造20)と同時にガイドから引き出す(ステップS3)ことにより、熱可塑性樹脂繊維2a,2bによる被覆2によって緩く被覆された連続繊維束1からなる強化繊維/樹脂繊維複合体10を製造することができる。
なお、上記ステップ4において、中実の棒状のガイドG5を用いる場合、その外形状としては、断面円形の丸棒を用いることが好ましいが、多角柱状のガイドG6を用いてもよい。
上記のように構成した実施例1の強化繊維/樹脂繊維複合体と、同一の材料にて構成した従来のマイクロブレーデッドヤーンとをそれぞれ同じ温度(摂氏290度)、同じ圧力(5MPa)、同じ時間(10分)でプレス成形を行ったところ、図7の一部断面写真および図8のグラフに示すように、実施例1の強化繊維/樹脂繊維複合体において含浸していない部分の割合(未含浸率)が、従来のマイクロブレーデッドヤーンの1/3以下となり、成形時間を大幅に短縮することが可能であることが確認できた。
例えば、被覆構造として、組糸と中央糸からなる組物構造を採用する場合に、組糸と中央糸とで性質の異なる糸を用いて実施してもよい。
1a 連続繊維
2 樹脂繊維の被覆
2a 組糸(樹脂繊維)
2b 中央糸(樹脂繊維)
10 強化繊維/樹脂繊維複合体(連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材製造用中間材料)
20 組物構造(被覆構造)
21 組物構造(被覆構造)
22 織物構造(被覆構造:平織)
23 織物構造(被覆構造:綾織)
24 織物構造(被覆構造:朱子織)
25 編物構造(被覆構造:平編)
26 編物構造(被覆構造:平編)
40 従来のマイクロブレーデッドヤーン
41 従来の樹脂繊維の被覆
G1 ガイド(パイプ)
G2 ガイド(断面C字状又は断面U字状)
G3 ガイド(複数本の板状体から構成されている)
G4 ガイド(複数本の棒状体又は板状体から構成されている)
G5 ガイド(丸棒)
G6 ガイド(多角柱)
T1 含浸距離
T2 従来の含浸距離
Claims (8)
- 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体。 - 前記熱可塑性樹脂繊維は、
(a)長手方向に対して斜めに配向された組糸と、当該組糸間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する組物構造
(b)長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する織物構造
(c)ループを形成する糸からなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する編物構造
上記(a)〜(c)のいずれかの構造となっていることを特徴とする請求項1に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体。 - 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が1.2以上の値となるように変形可能であることを特徴とする請求項1又は2に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体。
- 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が3〜10の値となるように変形可能であることを特徴とする請求項1又は2に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体。
- 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法であって、
前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにしたことを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法。 - 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法であって、
前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、
前記ガイドの内側に前記連続繊維束を挿通し、
当該連続繊維束と、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造とを同時に前記ガイドから抜き取ることにより、前記被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにしたことを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法。 - 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が1.2以上の値となるように変形可能なものであることを特徴とする請求項5又は6に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法。
- 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が3〜10の値となるように変形可能なものであることを特徴とする請求項5又は6に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維/樹脂繊維複合体の製造方法。
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