JPWO2017104481A1 - 多軸挿入編物基材の製造方法、多軸挿入編物基材、及び繊維強化複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年12月14日に日本に出願された特願2015−243446号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
[1]複数本の強化繊維が一つの軸方向に引き揃えられた強化繊維シートが2枚以上積み重ねられた多軸積重物と、前記多軸積重物を拘束するように配置された、ガラス転移温度及び融点を有する素材からなるステッチング糸条とを含む多軸挿入編物基材前駆体に対して、加圧加熱処理を行うことを含むことを特徴とする多軸挿入編物基材の製造方法であって、
前記加圧加熱処理における加熱温度が、前記ステッチング糸条のガラス転移温度より10℃以上高く、かつ、前記ステッチング糸条の融点より10度以上低い温度である、多軸挿入編物基材の製造方法。
[2]前記多軸積重物は、2枚以上の前記強化繊維シートがそれぞれの強化繊維の軸方向が二以上となるように積み重ねられたものである、[1]に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
[3]前記ステッチング糸条は、拘束編地を形成している、[1]又は[2]に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
[4]前記加圧加熱処理における負荷線圧が、15N/cm以上150N/cm以下である、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
[5]前記加圧加熱処理において、加圧と加熱が同時に行われる、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
[6]前記強化繊維が炭素繊維である[1]〜[5]のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
[7]前記ステッチング糸条が、ポリエステル、及びナイロンからなる群より選ばれる一種以上の素材からなる、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
前記ステッチング糸条の繊度s(dtex)、密度ρ(g/cm3)及び円周率πを用いて
と定義されるステッチング糸条の呼び直径d[μm]と、ステッチング糸条が強化繊維シートへ貫入する部位に生じる強化繊維の目開きの幅D[μm]とが、式(1)
D≦d ・・・(1)
を満たす、多軸挿入編物基材。
[9]前記強化繊維が炭素繊維である[8]に記載の多軸挿入編物基材。
[10]前記ステッチング糸条が、ポリエステル、及びナイロンからなる群より選ばれる一種以上の素材からなる、[8]又は[9]に記載の多軸挿入編物基材。
[11]前記ステッチング糸条は、拘束編地を形成している、[8]〜[10]のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材。
[12]前記拘束編地の編組織が、鎖編、シングルトリコット編、及びトリコットピラー編からなる群より選ばれる一種以上の編組織である、[11]に記載の多軸挿入編物基材。
本発明の多軸挿入編物基材は、強化繊維の目開きが小さいため、目開き部分に生じる樹脂だまりが小さく成形品の表面平滑性に優れ、かつ、強化繊維の屈曲が小さく強度や弾性率の高い成形品を得ることができる。
本発明の繊維強化複合材料は、本発明の多軸挿入編物基材を含むため、表面平滑性に優れ、かつ、強度や弾性率が高い。
「ウエール」とは、縦に連続したニードルループの列を意味し、「拘束編地のウエール方向」とは、拘束編地において、縦に連続したニードルループの列の方向を意味する。
「コース」とは、横に並んだニードルループの列を意味し、「拘束編地のコース方向」とは、拘束編地において、横に並んだニードルループの列の方向を意味する。
「ニードルループ」とは、編地におけるループの山の部分を意味する。
「シンカループ」とは、編地におけるループの谷の部分を意味する。具体的には、ニードルループ間をつなぐ部分である。
「閉じ目」とは、たて編の基本編目であり、交差したループを意味する。
「開き目」とは、たて編の基本編目であり、交差せずに左右に開いたループを意味する。
「たて編」とは、縦方向にループをつなぎ合わせた編物を意味する。
本発明の多軸挿入編物基材は、複数本の強化繊維が一つの軸方向に引き揃えられた強化繊維シートの2枚以上が積み重ねられた多軸積重物を備える。本発明の多軸挿入編物基材において、目的とする繊維強化複合材料に対して、複数方向に優れた機械特性を付与できるため、それぞれの強化繊維シートの強化繊維の軸方向が二以上となるように積み重ねられていることが好ましい。
本発明の多軸挿入編物基材は、多軸積重物を拘束するように配置されたステッチング糸条をさらに備える。本発明の多軸挿入編物基材において、このステッチング糸条は、多軸積重物を構成する2枚以上の強化繊維シートが一体化されるように編成された拘束編地を形成しているのが、目的とする繊維強化複合材料の製造工程において、多軸積重物の一体性を維持する上で好ましい。
多軸挿入編物基材は、多軸挿入編物基材の第一の面を含む第一の強化繊維シート10、及び多軸挿入編物基材の第二の面を含む第二の強化繊維シート20(図1を参照のこと。)を含む。第一の強化繊維シート10の強化繊維12の軸方向は、多軸挿入編物基材の基準方向(0°方向)に対して+45°で配置されており、第二の強化繊維シート20の強化繊維22の軸方向は、多軸挿入編物基材の基準方向(0°方向)に対して−45°で配置されており、第一の強化繊維シート10と第二の強化繊維シート20が積み重ねられている。また、多軸挿入編物基材は、第一の強化繊維シート10と第二の強化繊維シート20とからなる多軸積重物30を拘束する拘束編地40を含む。拘束編地40は、ステッチング糸条42が鎖編されることにより編成されている。
強化繊維は、各種繊維の長繊維からなるものである。
強化繊維の素材としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらの複合繊維等が挙げられる。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、ステンレスの繊維、鉄の繊維、金属を被覆した炭素繊維等が挙げられる。
強化繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
強化繊維としては、繊維強化複合材料の強度、弾性率等の機械特性に優れる点から、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維からなる群より選ばれる1種以上の強化繊維が好ましく、炭素繊維を含むことがより好ましく、炭素繊維であることがさらに好ましい。
強化繊維シートは、複数本の強化繊維が互いに略平行になるように、一つの軸方向に引き揃えられたシートである。
強化繊維シートとしては、強化繊維のクリンプが小さく、機械特性に優れる繊維強化複合材料が得られる点から、ノンクリンプファブリック(NCF)が好ましい。
多軸積重物は、2枚以上の強化繊維シートが積み重ねられた積層体である。多軸積重物において、2枚以上の強化繊維シートは、それぞれの強化繊維シートの強化繊維の軸方向が二以上となるように積み重ねられていることが好ましい。
多軸積重物としては、複数方向に優れた機械特性を有し、かつ、成形時の熱反りを抑制できる点から、前記二以上の軸方向が直交していることが好ましく、さらに多軸挿入編物基材の基準方向に対して対称とされていることがより好ましい。
また、多軸積重物が3枚の強化繊維シートからなる場合、強化繊維の軸方向が0°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(0/+45/−45)、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が0°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(+45/0/−45)、強化繊維の軸方向が0°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+60°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−60°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(0/+60/−60)、強化繊維の軸方向が+60°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が0°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−60°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(+60/0/−60)等が挙げられる。
さらに、多軸積重物が4枚の強化繊維シートからなる場合、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(+45/−45/−45/+45)、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シートをこの順で積層させる態様(+45/−45/+45/−45)、強化繊維の軸方向が0°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+45°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が+90°である強化繊維シート、強化繊維の軸方向が−45°である強化繊維シートを任意の順で積層させる態様(0/+45/+90/−45)等が挙げられる。
上記強化繊維の軸方向の角度の正負は、それぞれ逆であってもよい。
ステッチング糸条は、多軸積重物を拘束するように配置される。
また、本発明に係るステッチング糸条は、ガラス転移温度及び融点を有し、常温ではある程度の強度及び剛性を有し、多軸挿入編物基材の生産時の糸切れ等のトラブルが起こりにくく、かつ、加熱した際には容易に軟化し、強化繊維に対する拘束を弱めるが容易には切断されないことが求められる。そのため、40〜100℃のガラス転移温度と200℃以上の融点を有することが好ましい。
ステッチング糸条は容易に変形してしまうため、直径などの断面の幾何学形状を直接測定することは困難である。そこで、ステッチング糸条の太さを定量的に扱う際には、ステッチング糸条と同じ材質、かつ、同じ繊度である断面円形状の単繊維を想定し、その直径をステッチング糸条の呼び直径dとして扱う。呼び直径d(単位:μm)は、繊度s(単位:dtex)、密度ρ(単位:g/cm3)及び円周率πを用いて、以下の式で定義される。
ステッチング糸条は、多軸積重物を構成する2枚以上の強化繊維シートが一体化されるように編成された拘束編地を形成していることが好ましい。
拘束編地の編目は特に限定されず、閉じ目であっても、開き目であっても、閉じ目と開き目との組合せであってもよい。
拘束編地におけるコース方向のウエールの間隔は、2.5〜25.4mmが好ましく、5.0〜10.2mmがより好ましい。拘束編地におけるコース方向のウエールの間隔が前記下限値以上であれば、良好な生産性を維持できる。拘束編地におけるコース方向のウエールの間隔が前記上限値以下であれば、多軸性重物の拘束が緩くなることがなく、取扱いが容易となる。
本発明の多軸挿入編物基材の製造方法は、図2に示すように、多軸積重物と、多軸積重物を拘束するように配置された拘束編地とを含む多軸挿入編物基材前駆体に対して、加圧加熱処理を行うことを特徴とする。ここで、多軸挿入編物基材前駆体とは、加圧加熱処理を行う前の多軸挿入編物基材を意味する。
D≦d ・・・(1)
本発明の繊維強化複合材料は、本発明の多軸挿入編物基材と、マトリックス樹脂とを有する。
マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂の硬化物、熱可塑性樹脂が挙げられる。
熱硬化性樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
熱可塑性樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、ナイロン6とナイロン66との共重合体ナイロンのように、共重合したものであってもよい。
添加剤としては、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等が挙げられる。
本発明の繊維強化複合材料は、成形型の上にマトリックス樹脂組成物が含浸されていない本発明の多軸挿入編物基材を配置し、これにマトリックス樹脂組成物を含浸させた後、プリフォーム化し、これを成形、硬化させることによって製造することができる。
また、本発明の繊維強化複合材料は、本発明の多軸挿入編物基材にマトリックス樹脂組成物を含浸させてプリプレグとし、これを成形、硬化させることによって製造することができる。
上記に例示したいずれの方法においても、1枚の本発明の多軸挿入編物基材を用いてもよく、2枚以上の多軸挿入編物基材を積み重ねて用いてもよい。
強化繊維シートにステッチング糸条が貫入する部分に生じる目開きにおいて、目開きの影響で屈曲していない表面の強化繊維方向と直交する方向での最大長さを目開きの幅とした。拘束編地のシンカループが存在する側を表側とし、加圧加熱処理された試験片(多軸挿入編物基材)をマイクロスコープ(株式会社キーエンス製、VHX−5000)により、表側の面と直交する方向から観察し、基準プレートにより構成したマイクロスコープの長さ測定機能を使用してサンプル中心の30mm×30mmの領域にある目開き約60個の幅を測定し、その平均値を目開きの幅とした。
表面粗さ測定器(株式会社 ミツトヨ、サーフテスト402)を用いて、レンジ5μm、基準長さ2.5mm、測定区間5か所の設定で、表面粗さRa(中心線平均値)を測定した。
強化繊維として炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、パイロフィル(登録商標)TRW40 50L)を用い、複数本の強化繊維が一つの軸方向に引き揃えられた、強化繊維の目付が150g/m2の強化繊維シートを作製した。
得られた強化繊維シート2枚を、強化繊維の軸方向が互いに直交するように積み重ね、多軸積重物とした。
ポリエステル糸(Tenzler GmBH製、dtex78f36 text.roh halbmatt、78dtex、36フィラメント、ガラス転移温度80℃、融点220℃、密度1.4g/cm3、呼び直径84.2μm)を編成してなる鎖編の拘束編地を用いて、強化繊維の方向が多軸挿入編物基材の基準方向に対して+45°/−45°となるように多軸積重物を拘束し、一体化させて図1に示すような多軸挿入編物基材前駆体を作製した。拘束編地におけるコース方向のウエールの密度は3回/cmであり、コース方向のウエールの間隔は5mmであった。
前記多軸挿入編物基材から100mm×100mmの試験片を切り出し、ロールプレス装置(アサヒ繊維機械株式会社製、JR−600LTSW)を用いて、前記試験片を加熱温度150℃、負荷線圧37N/cmの条件でロールプレス処理することにより、多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は72.5μmであった。
ロールプレス処理を行わなかった以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は363.2μmであった。
拘束編地としてシングルトリコット編の拘束編地を用いた以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は37.3μmであった。
ロールプレス処理を行わなかった以外は、実施例2と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は126.7μmであった。
ロールプレス処理における負荷線圧を30N/cmとした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は58.3μmであった。
ロールプレス処理における負荷線圧を23N/cmとした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は70.6μmであった。
ロールプレス処理における負荷線圧を15N/cmとした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は80.1μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を200℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は62.4μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を180℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は59.8μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を120℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は72.4μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を100℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は72.9μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を90℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は61.3μmであった。
ロールプレス処理における加熱温度を80℃とした以外は、実施例1と同様にして多軸挿入編物基材を得た。
得られた多軸挿入編物基材における目開きの幅は109.9μmであった。
実施例1で得られた多軸挿入編物基材を4枚積層し、インフュージョン成形用エポキシ樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、XNR6815)、及び硬化剤(ナガセケムテックス株式会社製、XNH6815)を、100:27の質量比で混合した樹脂を、VaRTM法により含浸させ、硬化温度80℃、硬化時間2時間の硬化条件で成形し、肉厚約2mmのCFRPパネルを得た。
得られたCFRPパネルの表面粗さRaは0.12μmであった。
実施例1で得られた多軸挿入編物基材に代えて、比較例1で得られた多軸挿入編物基材を用いた以外は、実施例11と同様にしてCFRPパネルを得た。
得られたCFRPパネルの表面粗さRaは0.38μmであった。
実施例1で得られた多軸挿入編物基材に代えて、実施例2〜10で得られた多軸挿入編物基材を用いた以外は、実施例11と同様にして得られるCFRPパネルの表面粗さRaは0.15μm以下となる。
実施例1で得られた多軸挿入編物基材に代えて、比較例2及び3で得られた多軸挿入編物基材を用いた以外は、実施例11と同様にして得られるCFRPパネルの表面粗さRaは0.20μm以上となる。
また、本発明の多軸挿入編物基材を含む繊維強化複合材料であるCFRPパネルでは表面平滑性に優れていた。
また、これらの多軸挿入編物基材を含む繊維強化複合材料であるCFRPパネルでは表面平滑性に劣っていた。
本発明の多軸挿入編物基材を用いることにより、表面平滑性に優れ、かつ、強度や弾性率の高い成形品を得ることができる。
本発明の繊維強化複合材料は、本発明の多軸挿入編物基材を含むため、表面平滑性に優れ、かつ、強度や弾性率が高い。
10 第一の強化繊維シート
12 強化繊維
20 第二の強化繊維シート
22 強化繊維
30 多軸積重物
40 拘束編地
42 ステッチング糸条
44 ステッチング糸条のシンカループの貫入部位
50 目開き
Claims (13)
- 複数本の強化繊維が一つの軸方向に引き揃えられた強化繊維シートが2枚以上積み重ねられた多軸積重物と、前記多軸積重物を拘束するように配置された、ガラス転移温度及び融点を有する素材からなるステッチング糸条とを含む多軸挿入編物基材前駆体に対して、加圧加熱処理を行うことを含むことを特徴とする多軸挿入編物基材の製造方法であって、
前記加圧加熱処理における加熱温度が、前記ステッチング糸条のガラス転移温度より10℃以上高く、かつ、前記ステッチング糸条の融点より10度以上低い温度である、多軸挿入編物基材の製造方法。 - 前記多軸積重物は、2枚以上の前記強化繊維シートがそれぞれの強化繊維の軸方向が二以上となるように積み重ねられたものである、請求項1に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記ステッチング糸条は、拘束編地を形成している、請求項1又は2に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記加圧加熱処理における負荷線圧が、15N/cm以上150N/cm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記加圧加熱処理において、加圧と加熱が同時に行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記強化繊維が炭素繊維である請求項1〜5のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記ステッチング糸条が、ポリエステル、及びナイロンからなる群より選ばれる一種以上の素材からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材の製造方法。
- 前記強化繊維が炭素繊維である請求項8に記載の多軸挿入編物基材。
- 前記ステッチング糸条が、ポリエステル、及びナイロンからなる群より選ばれる一種以上の素材からなる、請求項8又は9に記載の多軸挿入編物基材。
- 前記ステッチング糸条は、拘束編地を形成している、請求項8〜10のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材。
- 前記拘束編地の編組織が、鎖編、シングルトリコット編、及びトリコットピラー編からなる群より選ばれる一種以上の編組織である、請求項11に記載の多軸挿入編物基材。
- 請求項8〜12のいずれか一項に記載の多軸挿入編物基材と、マトリックス樹脂とを有する、繊維強化複合材料。
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