JPWO2018070254A1 - ランダムマットおよびその製造方法並びにそれを用いた繊維強化樹脂成形材料 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)前記チョップド繊維束[A]は、複数の強化繊維からなる繊維束の長手方向に沿って、複数の束に分繊された分繊処理区間と、未分繊処理区間とが交互に形成されてなる部分分繊繊維束[B]を切断して得られる不連続強化繊維の束状集合体であって、
(b)前記チョップド繊維束[A]は、前記繊維束の長手方向における一方の先端である第1の先端から他方の先端である第2の先端に向かい、前記繊維束の長手方向に直角な方向の繊維束横断面における前記強化繊維の本数が増加する第1の遷移区間を有するとともに、前記第2の先端から前記第1の先端に向かい、前記繊維束横断面における前記強化繊維の本数が増加する第2の遷移区間を有し、
(c)前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に、前記繊維束の長手方向に沿って、前記繊維束横断面における前記強化繊維の本数が不変である不変区間を有し、該不変区間の一方の端面が、前記第1の遷移区間の前記第1の先端とは反対側の終端である第1の終端面に一致するとともに、前記不変区間の他方の端面が、前記第2の遷移区間の前記第2の先端とは反対側の終端である第2の終端面に一致し、あるいは、前記第1の終端面と前記第2の終端面とが直接一致し、かつ、
(d)前記第1の先端と前記第2の先端との間において、前記繊維束横断面における前記強化繊維の総断面積の変化量が、前記繊維束の長手方向に1mm当たり0.05mm2以下であるチョップド繊維束。
集合体[X]:分繊処理によって任意の束本数へと分割された分繊束集合体
集合体[Y]:上記未分繊処理区間、および/または少なくとも1つの上記分繊処理区間の少なくとも一方の端部に形成された上記強化繊維が交絡した絡合部、および/または該絡合部が集積されてなる絡合集積部によって、繊維束の強化繊維同士が結合された結合束集合体
集合体[Z]:上記未分繊処理区間、および/または上記絡合部、および/または上記絡合集積部と、上記部分分繊繊維束の切断時の切断面とが交差し、該交差部において、上記繊維束の強化繊維同士の結合が切断されている結合切断集合体
W・cosθ/D≧3 ・・・(1)
W:部分分繊繊維束切断時の繊維束幅
D:チョップド繊維束[A]における切断面の間隔
先ず、本発明における部分分繊繊維束[B]に関して説明する。先ず、図1を参照して、複数の強化繊維Fからなる繊維束の長手方向Lに沿って、複数の束に分繊された分繊処理区間2と、未分繊処理区間3とが交互に形成されてなる部分分繊繊維束[B]1と、その切断について説明する。図1に示すように、分繊処理区間2と未分繊処理区間3とが繊維束の長手方向Lに沿って交互に形成されてなる部分分繊繊維束[B]1が方向Aに走行され、切断刃4により部分分繊繊維束[B]1が繊維束を横断する方向に切断されて不連続強化繊維の束状集合体からなるチョップド繊維束[A]5が形成される。ここでチョップド繊維束[A]5を得る方法の好ましい一例として、繊維束の長手方向に対し角度θで切断する方法が挙げられる。この切断角度θは、例えば3°≦θ≦30°とされて斜め方向切断とされている。かかる切断角度θの範囲においては、成形の際の良好な流動性と成形品の高い力学特性とその低ばらつきを実現可能となる。
集合体[X]:分繊処理によって任意の束本数へと分割された分繊束集合体
集合体[Y]:前記未分繊処理区間、および/または少なくとも1つの前記分繊処理区間の少なくとも一方の端部に形成された前記強化繊維が交絡した絡合部、および/または該絡合部が集積されてなる絡合集積部によって、繊維束の強化繊維同士が結合された結合束集合体
集合体[Z]:上記未分繊処理区間、および/または上記絡合部、および/または上記絡合集積部と、上記部分分繊繊維束の切断時の切断面とが交差し、該交差部において、上記繊維束の強化繊維同士の結合が切断されている結合切断集合体
{N(Y)/N(A)}×100 ・・・(2)
W・cosθ/D≧3 ・・・(1)
W:部分分繊繊維束切断時の繊維束幅
D:チョップド繊維束[A]における切断面の間隔
t=D/cosθ
となり、繊維束の幅Wを幅方向に切断面によって切断する数W/tが望ましくは、
W/t≧3
とすると、上記式より、前記式(1)が成り立つ。前記式(1)を満たすように部分分繊繊維束を切断することによって、前記結合切断集合体[Z]が効果的に細束化され、力学特性の向上に寄与するため好ましい。
繊維束[B−1]:繊維径7.2μm、引張弾性率240GPa、単糸数50,000本の連続した炭素繊維束(ZOLTEK社製、“Panex35(登録商標)”)を用いた。
マトリックス樹脂[M−1]:
ビニルエステル樹脂(ダウ・ケミカル(株)製、“デラケン(登録商標)790”)を100重量部、硬化剤としてtert−ブチルパーオキシベンゾエート(日本油脂(株)製、“パーブチル(登録商標)Z”)を1重両部、増粘剤として酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製、MgO#40)を4重量部、内部離型剤としてステアリン酸亜鉛(堺化学工業(株)製、SZ−2000)を2重量部を、十分に混合・攪拌して得られた樹脂コンパウンドを用いた。
繊維強化樹脂成形材料から100mm×100mmの試料を切り出し、前記試料を600℃×1時間、炉内にて加熱し樹脂を除去した。続いて、樹脂を除去した試料から、チョップド繊維束[A]を400本ピンセットを用いて取り出し、以下の基準によって、集合体[X]、集合体[Y]、集合体[Z]へと分類した。
集合体[X]:部分分繊繊維束において、施された分繊処理に起因して分割された細束を分繊束集合体(集合体[X])とした。
集合体[Y]:部分分繊繊維束において、未分繊処理区間や絡合部、絡合集積部などの束間結合因子によって、「束同士が結合された形状である」と判断できるものを結合束集合体(集合体[Y])とした。
集合体[Z]:部分分繊繊維束において、未分繊処理区間や絡合部、絡合集積部などの束間結合因子を切断して分割された形跡のあるもの、もしくは切断された後にプロセス上の自然な糸割れによって小片化したものと判断できるものを結合切断集合体(集合体[Z])とした。
さらに、上記で分類された集合体[Y]の総本数から、繊維強化樹脂成形材料中における集合体[Y]の含有率を算出した。
平板を制作することが可能である金型No.1を用いた。繊維強化樹脂成形材料を金型No.1の中央部に配置(チャージ率にして50%)した後、加圧型プレス機により10MPaの加圧のもと、約140℃×5分間の条件により硬化させ、300×400mmの平板を得た。平板長手方向を0°とし、得られた平板より0°と90°方向から、それぞれ100×25×1.6mmの試験片を5片(合計10片)を切り出し、JIS K7074(1988年)に準拠し測定を実施した(曲げ強度[MPa]、曲げ弾性率[GPa]、曲げ弾性率のCV(変動係数)[%])。
繊維束[B−1]を、ワインダーを用いて一定速度10m/minで巻出し、10Hzで軸方向へ振動する振動拡幅ロールに通し、拡幅処理を施した後に、60mm幅の幅規制ロールを通すことで60mmに拡幅した拡幅繊維束を得た。得られた拡幅繊維束に対して、厚み0.2mm、幅3mm、高さ20mmの突出形状を具備する分繊処理用鉄製プレートを強化繊維束の幅方向に対して3.5mm等間隔に並行にセットした分繊処理手段を準備し、この分繊処理手段を拡幅繊維束に対して、間欠式に抜き挿しし、部分分繊繊維束を得た。この時、分繊処理手段は一定速度10m/minで走行する拡幅繊維束に対して、3sec間分繊処理手段を突き刺し分繊処理区間を生成し、0.2sec間で分繊処理手段を抜き、再度突き刺す動作を繰り返し行なった。
束状集合体[A]の繊維長が12.5mmになるように、切断間隔を3.2mmに調整した以外は、実施例1と同様にして評価を行った。得られた一連の評価結果を表1に示す。
繊維束の切断角度が30°、繊維長が12.5mmになるように、ロータリーカッターの切断刃の傾きと切断間隔を6.2mmに調整した以外は実施例1と同様にして評価を行った。得られた一連の評価結果を表1に示す。
繊維束切断時の幅Wが30mmになるように、部分分繊繊維束を巻き取る直前に、繊維束の拡幅幅維持のためのしごきローラーを設置し、部分分繊繊維束幅を調整した以外は実施例1と同様にして評価を行った。得られた一連の評価結果を表1に示す。
部分分繊繊維束を切断する際に、繊維束の長手方向に対して角度90°、切断間隔25mmに切断刃が設置されたロータリーカッターを用いてチョップド繊維束[A]を得た以外は実施例1と同様にして評価を行った。得られた一連の評価結果を表2に示す。
繊維束[B−1]に分繊処理を施さないまま、切断し、チョップド繊維束[A]を得た以外は実施例1と同様にして評価を行った。得られた一連の評価結果を表2に示す。
2,13、15、23、32、42、64、74 分繊処理区間
3、14、16、28、33、52、62、72、82 未分繊処理区間
4 切断刃
5 チョップド繊維束[A]
11、25、63 絡合部
12、26、73 絡合集積部
20 繊維束
21 分繊手段
22 突出部
24 接触部
27 毛羽溜まり
34、35、43、53、65、75、83、92 切断面
36、37 束状集合体
F、111 強化繊維
112a 第1の先端
112b 第2の先端
113a 第1の遷移区間
113b 第2の遷移区間
113Ea 遷移区間の第1の終端面
113Eb 遷移区間の第2の終端面
114:不変区間
114Ea 不変区間の一方の端面
115a 第1の遷移区間における一方の辺
115b 第2の遷移区間における一方の辺
116a 第1の遷移区間における他方の辺
116b 第2の遷移区間における他方の辺
191 繊維強化樹脂成形材料
201 連続強化繊維束
202 ボビン
203、204 ガイドローラ
205 ローラーカッター
206 集束剤付与装置
207 集束剤供給口
208 スリット状のノズル
209 成形基体
210 ロボットアーム
211 部分分繊処理装置
θ 切断角度
L 長手方向
CFB、CFB1、CFB2、CFB3、CFB5a−CFB5g チョップド繊維束[A]
CFTS 強化繊維の総断面積の変化量
Ld チョップド繊維束[A]の差し渡し長さ
Lf 強化繊維の繊維長
Tb チョップド繊維束[A]の最大厚み
Wb チョップド繊維束[A]の最大幅
Wd チョップド繊維束[A]の差し渡し幅
繊維束[B−1]:繊維径7.2μm、引張弾性率240GPa、単糸数50,000本の連続した炭素繊維束(ZOLTEK社製、“Panex35(登録商標)”)を用いた。
マトリックス樹脂[M−1]:
ビニルエステル樹脂(ダウ・ケミカル(株)製、“デラケン(登録商標)790”)を100重量部、硬化剤としてtert−ブチルパーオキシベンゾエート(日本油脂(株)製、“パーブチル(登録商標)Z”)を1重量部、増粘剤として酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製、MgO#40)を4重量部、内部離型剤としてステアリン酸亜鉛(堺化学工業(株)製、SZ−2000)を2重量部を、十分に混合・攪拌して得られた樹脂コンパウンドを用いた。
Claims (7)
- 少なくともチョップド繊維束[A]を含むランダムマットであって、前記チョップド繊維束[A]は、少なくとも下記(a)〜(d)を満たすこと特徴とするランダムマット。
(a)前記チョップド繊維束[A]は、複数の強化繊維からなる繊維束の長手方向に沿って、複数の束に分繊された分繊処理区間と、未分繊処理区間とが交互に形成されてなる部分分繊繊維束[B]を切断して得られる不連続強化繊維の束状集合体であって、
(b)前記チョップド繊維束[A]は、前記繊維束の長手方向における一方の先端である第1の先端から他方の先端である第2の先端に向かい、前記繊維束の長手方向に直角な方向の繊維束横断面における前記強化繊維の本数が増加する第1の遷移区間を有するとともに、前記第2の先端から前記第1の先端に向かい、前記繊維束横断面における前記強化繊維の本数が増加する第2の遷移区間を有し、
(c)前記第1の遷移区間と前記第2の遷移区間との間に、前記繊維束の長手方向に沿って、前記繊維束横断面における前記強化繊維の本数が不変である不変区間を有し、該不変区間の一方の端面が、前記第1の遷移区間の前記第1の先端とは反対側の終端である第1の終端面に一致するとともに、前記不変区間の他方の端面が、前記第2の遷移区間の前記第2の先端とは反対側の終端である第2の終端面に一致し、あるいは、前記第1の終端面と前記第2の終端面とが直接一致し、かつ、
(d)前記第1の先端と前記第2の先端との間において、前記繊維束横断面における前記強化繊維の総断面積の変化量が、前記繊維束の長手方向に1mm当たり0.05mm2以下であるチョップド繊維束。 - 前記部分分繊繊維束[B]において、少なくとも1つの前記分繊処理区間の少なくとも一方の端部に前記強化繊維が交絡した絡合部、および/または該絡合部が集積されてなる絡合集積部が形成されている、請求項1に記載のランダムマット。
- 前記部分分繊繊維束[B]を切断して得られる不連続強化繊維の束状集合体が少なくとも下記集合体[X]〜[Z]に分類され、前記チョップド繊維束[A]は、集合体[X]、[Y]、[Z]のうち少なくとも1種を含む、請求項1または2に記載のランダムマット。
集合体[X]:分繊処理によって任意の束本数へと分割された分繊束集合体
集合体[Y]:前記未分繊処理区間、および/または少なくとも1つの前記分繊処理区間の少なくとも一方の端部に形成された前記強化繊維が交絡した絡合部、および/または該絡合部が集積されてなる絡合集積部によって、繊維束の強化繊維同士が結合された結合束集合体
集合体[Z]:前記未分繊処理区間、および/または前記絡合部、および/または前記絡合集積部と、前記部分分繊繊維束の切断時の切断面とが交差し、該交差部において、前記繊維束の強化繊維同士の結合が切断されている結合切断集合体 - 前記部分分繊繊維束[B]を切断して得られる不連続強化繊維の束状集合体のうち、前記結合束集合体[Y]の含有率が0〜15%の範囲にある、請求項3に記載のランダムマット。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のランダムマットを製造する方法であって、
前記チョップド繊維束[A]を得る際に、前記部分分繊繊維束[B]を前記繊維束の長手方向に対して、角度θ(3°≦θ≦30°)で切断することを特徴とする、ランダムマットの製造方法。 - 前記チョップド繊維束[A]を得る際に、下記式(1)を満たすように前記部分分繊繊維束[B]を切断する、請求項5に記載のランダムマットの製造方法。
W・cosθ/D≧3 ・・・(1)
W:部分分繊繊維束切断時の繊維束幅
D:チョップド繊維束[A]における切断面の間隔 - 請求項1〜4のいずれかに記載のランダムマットと、マトリックス樹脂[M]を含む、繊維強化樹脂成形材料。
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