JPWO2017164157A1 - 繊維強化樹脂材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年3月24日に、日本出願された特願2016−059810号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(i)繊維長5〜100mmの強化繊維を10,000〜700,000本含むチョップド繊維束とマトリックス樹脂組成物とを含有し、前記チョップド繊維束の平均幅Wmと平均厚みtmとの比率(Wm/tm)が70〜1,000であり、平均幅Wmが2〜50mmであり、平均厚みtmが0.01〜0.1mmである繊維強化樹脂材料(特許文献1)。
(ii)繊維長5〜100mmの強化繊維を10,000〜1,000,000本含み、幅Wと厚みtの比率(W/t)が10〜1000であるチョップド繊維束と、マトリックス樹脂組成物とを含有する繊維強化樹脂材料(特許文献2)。
[1]複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料であって、
面方向に沿った断面での縦25mm×横125mmの矩形の範囲(A)において、横方向を0°、反時計回りを正としたとき、下記割合Q1〜Q4がいずれも15%以上であり、
厚み方向に沿った断面での縦2mm×横125mmの矩形の範囲(B)において、面方向を0°、反時計回りを正としたとき、下記割合Q5が97%以下である、繊維強化樹脂材料。
割合Q1:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−90°超−45°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q2:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−45°超0°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q3:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が0°超45°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q4:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が45°超90°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q5:前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−10°以上10°以下の繊維束の本数の割合。
[2]前記割合Q5が、前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−5°以上5°以下の繊維束の本数の割合である、[1]に記載の繊維強化樹脂材料。
[3]前記割合Q5が、95%以下である、[1]又は[2]に記載の繊維強化樹脂材料。
[4]前記繊維束の平均幅L1に対する平均繊維長L2の比L2/L1が5〜20である、[1]〜[3]のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
[5]単位厚さあたりの前記繊維束の積層数が8以上である、[1]〜[4]のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
[6]繊維質量含有率が60質量%以上である、[1]〜[5]のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
[7]複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る含浸工程を有し、
前記繊維束が、平均幅L’1が2〜12mm、平均繊維長L’2が20〜100mm、平均厚みL’3が0.01〜0.1mmで、比L’2/L’1が5〜20である、繊維強化樹脂材料の製造方法。
本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法であれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる繊維強化樹脂材料を製造することができる。
本発明の繊維強化樹脂材料は、複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料(SMC)である。以下、本発明の繊維強化樹脂材料の一例を示して説明する。
図2に示すように、繊維強化樹脂材料1の面方向に沿った断面における、縦25mm×横125mmの矩形の範囲(A)において、横方向を0°、反時計回りを正とする。このとき、繊維強化樹脂材料1では、下記の割合Q1〜Q4がいずれも15%以上になっている。
割合Q2:範囲(A)内の繊維束fの総数に対する繊維軸方向が−45°超0°以下の繊維束の割合。
割合Q3:範囲(A)内の繊維束fの総数に対する繊維軸方向が0°超45°以下の繊維束の割合。
割合Q4:範囲(A)内の繊維束fの総数に対する繊維軸方向が45°超90°以下の繊維束の割合。
なお、割合Q1〜Q4の合計は100%である。
例えば、繊維束を図示した図4の平行四辺形においては、任意の短辺のいずれか1点をN1、N1を含む長辺方向におけるN1以外の点をN2とした時、このN1とN2を結ぶ直線が繊維束の繊維軸に相当する。すなわち、この繊維束における繊維軸方向は、この平行四辺形の右下の角をN1、右上の角をN2とする場合には、このN1とN2を直線で結ぶことで決定される。
繊維束の数は、例えば、繊維強化樹脂材料のX線CT画像からカウントすることができ、繊維強化樹脂材料の樹脂分を窒素雰囲気化で加熱分解させたり、この樹脂分を溶解除去することでカウントすることができる。
図3に示すように、繊維強化樹脂材料1の厚み方向に沿った断面における、縦2mm×横125mmの矩形の範囲(B)において、面方向を0°、反時計回りを正とする。このとき、繊維強化樹脂材料1では、下記の割合Q5が97%以下になっている。
割合Q5:前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する、繊維軸方向が−10°以上10°以下の繊維束の本数の割合。
また、割合Q5は、さらに引張強度が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる傾向にあることから、90〜97%の範囲とするが好ましく、90〜95%の範囲とするのがより好ましく、90〜93%の範囲とするのがさらに好ましい。
本発明の繊維強化樹脂材料を構成する繊維束における、上述の分散状態は、例えば、前記材料のX線CTの3次元画像を分析することで確認することができる。
繊維束を形成する強化繊維としては、特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる
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、その他一般のナイロン繊維、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、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、繊維強化樹脂材料成形体の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、繊維束の平均幅L1は、以下の方法で測定される。電気炉などで繊維強化樹脂材料を加熱してマトリックス樹脂組成物を分解させ、残存した繊維束から無作為に10本の繊維束を選択する。10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で幅をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均幅とする。
なお、繊維束の平均繊維長L2は、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて最大の繊維長をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均繊維長とする。
なお、繊維束の平均厚みは、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で厚みをノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均厚みとする。
ここでいう「積層」とは、繊維強化樹脂材料を厚さ方向に投影した時に、この繊維強化樹脂材料を構成する任意の繊維束の少なくとも一部(繊維束の投影面積の1%以上)が、接触の有無は関係なく他の繊維束と重なった状態にあることを意味する。
なお、繊維束の積層数は、例えば、繊維強化樹脂材料のX線CT画像からカウントすることができ、繊維強化樹脂材料の樹脂分を窒素雰囲気化で加熱分解させたり、この樹脂分を溶解除去することでカウントすることができる。
マトリックス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂を含む組成物が好ましい。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン系樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、イミド系樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法は、前述した繊維強化樹脂材料を製造する方法である。繊維強化樹脂材料における繊維束の面方向及び厚み方向の配向は、繊維束の繊維長、幅及び厚みを調節することにより制御することができる。具体的には、下記の含浸工程のシート状繊維束群を形成する繊維束として、平均幅L’1が2〜12mm、平均繊維長L’2が20〜100mm、平均厚みL’3が0.01〜0.1mmで、比L’2/L’1が5〜20である繊維束を使用する。
含浸工程:複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る工程。
製造装置100は、繊維束供給部10と、第1のキャリアシート供給部11と、第1の搬送部20と、第1の塗工部12と、裁断機13と、第2のキャリアシート供給部14と、第2の搬送部28と、第2の塗工部15と、含浸部16と、収納容器40と、を備えている。
製造装置100を用いた繊維強化樹脂材料積層体の製造方法では、例えば、以下の散布工程及び含浸工程を順次行う。
散布工程:長尺の繊維束f’を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束fを第1樹脂シートS1上にシート状に散布してシート状繊維束群Fを形成する工程。
含浸工程:シート状繊維束群F上に第2樹脂シートS2を積層して前駆積層体S3を形成し、前駆積層体S3を両面側から加圧し、シート状繊維束群Fにマトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料1を得る工程。
第1のキャリアシート供給部11により、第1の原反ロールR1から長尺の第1キャリアシート3を引き出して第1の搬送部20へと供給し、第1の塗工部12によりペーストPを所定の厚みで塗工して第1樹脂シートS1を形成する。第1の搬送部20によって第1キャリアシート3を搬送することにより、第1キャリアシート3上の第1樹脂シートS1を走行させる。
なお、散布工程は裁断後の繊維束の各寸法が前記範囲内に調節されるものであれば上記方法には限定されない。例えば、裁断前に繊維束を幅方向に拡幅する開繊や、繊維束を幅方向に分割する分繊等を行う場合には、上記の方法と異なる寸法の繊維束を用いる方法であってもよい。
シート状繊維束群を形成する繊維束の平均繊維長L’2は、同じ理由で、20〜100mmが好ましく、25〜80mmがより好ましく、25〜55mmがさらに好ましい。
シート状繊維束群を形成する繊維束の平均厚みL’3は、同じ理由で、0.01〜0.1mmが好ましく、0.02〜0.1mmがより好ましく、0.02〜0.08mmがさらに好ましく、0.04〜0.06mmが特に好ましい。
比L’2/L’1は、同じ理由で、5〜20が好ましく、5〜10がより好ましく、7〜9がさらに好ましい。
比L’1/L’3は、同じ理由で、10〜500が好ましく、50〜400がより好ましく、100〜300がさらに好ましく、100〜200が特に好ましい。
第2のキャリアシート供給部14により、第2の原反ロールR2から長尺の第2キャリアシート4を引き出して第2の搬送部28へと供給する。第2の塗工部15により、第2キャリアシート4の面上にペーストPを所定の厚みで塗工し、第2樹脂シートS2を形成する。
繊維強化樹脂材料1が第1キャリアシート3と第2キャリアシート4で挟持された状態の原反Rは収納容器40に振り込んで収納する。
[実施例1]
シミュレーションソフトとしてLS−DYNA(LSTC社製)を使用してシミュレーションを実施した。
シミュレーションにおいて、15,000本の炭素繊維からなる幅6mm、繊維長50.8mm、厚み0.055mmの繊維束を設定した。次いで、繊維重量含有率が66%となる枚数の前記繊維束を0.5mの高さから落下させて厚み2.5mmのシート状繊維束群とし、ビニルエステルからなる樹脂シートで前記シート状繊維束群を挟持した状態で厚みが2mmとなるまで加圧して樹脂を含浸させ、縦25.4mm×横150mm×厚み2mmの繊維強化樹脂材料とした。
このシミュレーションにおける繊維強化樹脂材料について割合Q1〜Q5を算出した。なお、割合Q1〜Q4を算出する際の範囲(A)は、横方向における両側の縁から10mmの部分を除くように設定し、割合Q5が対象とする繊維束は、前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−10°以上10°以下の繊維束とした。繊維強化樹脂材料中のマトリックス樹脂を硬化させた硬化物についてもシミュレーションした結果を表1に示す。引張強度は307MPa、引張弾性率は、47.1GPaであった。また、対象とする繊維束を前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−5°以上5°以下の繊維束とした場合の割合Q5は、92.4%であった。さらに、上記と同様な条件で得られた繊維強化樹脂材料の硬化物の物性値を実測した結果、引張強度は342MPa、引張弾性率は42.4GPaであった。
繊維束の厚みを0.11mmに変更した以外は、実施例1と同様にシミュレーションした。結果を表1に示す。引張強度は232MPa、及び引張弾性率は、41.7GPaであった。また、対象とする繊維束を前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−5°以上5°以下の繊維束とした場合の割合Q5は、97.7%であった。さらに、上記と同様な条件で得られた繊維強化樹脂材料の硬化物の物性値を実測した結果、引張強度は239MPa、引張弾性率は44.0GPaであった。
繊維束の厚みを0.15mm、繊維束の幅を14mm、繊維長を25.4mmに変更した以外は、実施例1と同様にシミュレーションした。結果を表1に示す。引張強度は146MPa、及び引張弾性率は、30.6GPaであった。また、対象とする繊維束を前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−5°以上5°以下の繊維束とした場合の割合Q5は、99.8%であった。
本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法であれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる繊維強化樹脂材料を製造することができる。
f 繊維束
F シート状繊維束群
S マトリックス樹脂組成物
Claims (7)
- 複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料であって、
面方向に沿った断面での縦25mm×横125mmの矩形の範囲(A)において、横方向を0°、反時計回りを正としたとき、下記割合Q1〜Q4がいずれも15%以上であり、
厚み方向に沿った断面での縦2mm×横125mmの矩形の範囲(B)において、面方向を0°、反時計回りを正としたとき、下記割合Q5が97%以下である、繊維強化樹脂材料。
割合Q1:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−90°超−45°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q2:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−45°超0°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q3:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が0°超45°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q4:前記範囲(A)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が45°超90°以下の繊維束の本数の割合。
割合Q5:前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−10°以上10°以下の繊維束の本数の割合。 - 前記割合Q5が、前記範囲(B)内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が−5°以上5°以下の繊維束の本数の割合である、請求項1に記載の繊維強化樹脂材料。
- 前記割合Q5が、95%以下である、請求項1又は2に記載の繊維強化樹脂材料。
- 前記繊維束の平均幅L1に対する平均繊維長L2の比L2/L1が5〜20である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
- 単位厚さあたりの前記繊維束の積層数が8以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
- 繊維質量含有率が60質量%以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
- 複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る含浸工程を有し、
前記繊維束が、平均幅L’1が2〜12mm、平均繊維長L’2が20〜100mm、平均厚みL’3が0.01〜0.1mmで、比L’2/L’1が5〜20である、繊維強化樹脂材料の製造方法。
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