JPWO2018079475A1 - プリプレグ積層体、繊維強化複合材料および繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)樹脂が強化繊維に含浸しているプリプレグ[a]、および樹脂が含浸していない基材[b]を含み、
前記プリプレグ[a]のうちプリプレグ[a]が少なくとも2枚連続して積層されている構造を有し、
前記基材[b]の両側が前記プリプレグ[a]でサンドイッチされた構造を含む、プリプレグ積層体。
(2)前記プリプレグ積層体の少なくとも一方の表面が意匠面であり、前記基材[b]が前記意匠面側から2層目または3層目に積層された、前記プリプレグ積層体。
(3)前記プリプレグ積層体の少なくとも一方の表面が意匠面であり、前記意匠面側の最外層から順に、プリプレグ[a]、基材[b]および2枚以上のプリプレグ[a]が連続して積層されている構造を有する、前記いずれかのプリプレグ積層体。
(4)前記基材[b]の目付量が5〜100g/m2である、前記いずれかのプリプレグ積層体。
(5)前記基材[b]の厚さが0.1〜1.5mmである、前記いずれかのプリプレグ積層体。
(6)前記基材[b]が、炭素繊維またはガラス繊維を含み、その繊維が不連続である、前記いずれかのプリプレグ積層体。
(7)下で定義されるプリプレグ構造体[a1]の厚さが、下で定義されるプリプレグ[a2]1枚の厚さの0.2〜9倍である、前記いずれかのプリプレグ積層体。
プリプレグ構造体[a1]:前記基材[b]の一方の面に積層されているものであって、前記プリプレグ[a]が2枚以上連続して積層されている前記プリプレグ[a]からなる構造体
プリプレグ[a2]:前記基材[b]の他方の面に積層されているプリプレグ[a](ただし前記プリプレグ[a]が積層されている場合はプリプレグ[a]の積層体。)
(8)前記基材[b]の厚さが、下で定義されるプリプレグ構造体[a1]の厚さの0.1〜3.0倍である、前記いずれかのプリプレグ積層体。
プリプレグ構造体[a1]:前記基材[b]の一方の面に積層されているものであって、前記プリプレグ[a]が2枚以上連続して積層されている前記プリプレグ[a]からなる構造体。
(9)前記いずれかのプリプレグ積層体を用いた繊維強化複合材料であって、前記プリプレグ[a]に由来する繊維強化複合材料層[A]の繊維体積含有率をVfA、前記基材[b]に由来する繊維強化複合材料層[B]の繊維体積含有率をVfBとすると、VfA>VfBの関係を有する繊維強化複合材料。
(10)繊維強化複合材料層[B]が樹脂を含有しており、含浸されている樹脂が、前記プリプレグ[a]に含浸していた樹脂である前記繊維強化複合材料。
(11)前記繊維強化複合材料層[B]の繊維体積含有率が40%以下である、前記いずれかの繊維強化複合材料。
(12)前記繊維強化複合材料層[B]両側に存在する繊維強化複合材料層[A]の繊維体積含有率がそれぞれ55%以上である、前記いずれかの繊維強化複合材料。
(13)前記繊維強化複合材料層[B]のボイド含有率が維強化複合材料層[A]のボイド含有率よりも高い、前記いずれかの繊維強化複合材料。
(14)前記繊維強化複合材料層[B]に含まれるボイドが、前記プリプレグ積層体の積層方向に沿った切断面において、切断面の中央部分に80〜100%分布している、前記いずれかの繊維強化複合材料。
(15)前記いずれかのプリプレグ積層体を加熱及び加圧し成形する工程を有する繊維強化複合材料の製造方法。
(16)前記いずれかの成形させる工程において、さらに−80kPa以下(ゲージ圧)の圧力で行う工程を含む、前記繊維強化複合材料の製造方法。
(17)加熱および加圧する工程において、プリプレグ[a]に含まれる樹脂が基材[b]に含浸していくものである前記いずれかの繊維強化複合材料の製造方法。
アルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維などの金属繊維;
PAN系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維の炭素繊維;
黒鉛繊維;ガラス繊維;
アラミド繊維、PBO繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維;
シリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維などの無機繊維。
織物の組織としては、平織、綾織、繻子織などが挙げられる。
不連続の形態のものであれば、繊維長としては15mm未満である強化繊維がフィラーとして混練が容易となる観点から好ましい。
ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレン樹脂等のポリオレフィン樹脂;
ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、液晶ポリエステル等のポリエステル樹脂;
ポリアミド樹脂、ポリオキシメチレン樹脂;ポリフェニレンスルフィド樹脂などのポリアリーレンスルフィド樹脂;ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂;、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂、液晶ポリマー樹脂などの結晶性樹脂;
ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリアリレート樹脂などの非晶性樹脂;
フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、更にポリスチレン樹脂系、ポリオレフィン樹脂系、ポリウレタン樹脂系、ポリエステル樹脂系、ポリアミド樹脂系、ポリブタジエン樹脂系、ポリイソプレン樹脂系、フッ素系樹脂、およびポリアクリロニトリル樹脂系等の熱可塑エラストマー等や
さらにこれらの共重合体または変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂。
アルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維などの金属繊維;
PAN系他炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維の炭素繊維;黒鉛繊維、ガラス繊維、;
アラミド繊維、PBO繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維;
シリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維などの無機繊維。
織物の組織としては、平織、綾織、繻子織などが挙げられる。
基材[b]は、炭素繊維またはガラス繊維を含むものが好ましい。さらに繊維が不連続のものであることが好ましい。炭素繊維を含む基材では強度、弾性率に優れ、またガラス繊維を含む基材では、経済性に優れた繊維強化複合材料を得ることが可能である。繊維が不連続の基材だと、基材の厚さを大小幅広く調整可能であるため、得られる繊維強化複合材料の厚さを調整できるので好ましい。
プリプレグ構造体[a1]:前記基材[b]の一方の面に積層されているものであって、前記プリプレグ[a]が2枚以上連続して積層されている前記プリプレグ[a]からなる構造体。
プリプレグ[a2]:前記基材[b]の他方の面に積層されているプリプレグ[a](ただし前記プリプレグ[a]が積層されている場合はプリプレグ[a]の積層体。)。
この厚みの比率により、基材[b]3への含浸性と繊維強化複合材料の意匠性との両立が可能となる。より好ましくは0.5〜5倍、さらに好ましくは、1〜3倍である。
また、プリプレグ積層体10は、基材[b]の厚さが、前記プリプレグ構造体[a1]の厚さの0.1〜3.0倍であることが好ましい。これにより、基材[b]3への含浸性と繊維強化複合材料の意匠性の両立を図ることができる。より好ましくは0.2〜2倍、さらに好ましくは、0.5〜1倍である。
一般的にプリプレグ積層体は、目的とする繊維強化複合材料の力学特性、厚さ等に合わせプリプレグを積層して得られる。一方向プリプレグを用いた場合は、繊維強化複合材料に異方性が発現するため、疑似等方積層にするなどの対策を取ることができる。
また、本発明の繊維強化複合材料では、繊維強化複合材料層[B]に含浸した樹脂は、プリプレグ[a]に含浸していた樹脂である。これにより成形中に、意匠面のプリプレグ[a]に含有していた空気や揮発成分が、樹脂とともに基材[b]へ移動することで優れた意匠面の繊維強化複合材料が得られる。
次に本発明の繊維強化複合材料の製造方法について説明する。本発明の繊維強化複合材料の製造方法は上で説明したプリプレグ積層体を加熱及び加圧して、成形する工程を有する。
また、本発明の繊維強化複合材料の製造方法において、プリプレグ[a]に含まれる樹脂を基材[b]に含浸させる際、前記樹脂に含まれる空気や揮発成分が基材[b]に移動することが好ましい。これによりピンホールの少ない優れた意匠面を有する繊維強化複合材料を得ることができる。
支柱、パネル、補強材などの土木、建材用部品。各種メンバ、各種フレーム、各種ヒンジ、各種アーム、各種車軸、各種車輪用軸受、各種ビーム、プロペラシャフト、ホイール、ギアボックスなどの、サスペンション、アクセル、またはステアリング部品。
バンパー、バンパービーム、モール、アンダーカバー、エンジンカバー、整流板、スポイラー、カウルルーバー、エアロパーツなど外装部品。
インストルメントパネル、シートフレーム、ドアトリム、ピラートリム、ハンドル、各種モジュールなどの内装部品。
オルタネーターターミナル、オルタネーターコネクター、ICレギュレーター、ライトディヤー用ポテンショメーターベース、エンジン冷却水ジョイント、エアコン用サーモスタットベース、暖房温風フローコントロールバルブ、ラジエーターモーター用ブラッシュホルダー、タービンべイン、ワイパーモーター関係部品、ディストリビュター、スタータースィッチ、スターターリレー、ウィンドウオッシャーノズル、エアコンパネルスィッチ基板、燃料関係電磁気弁用コイル、バッテリートレイ、ATブラケット、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、プロテクター、ホーンターミナル、ステップモーターローター、ランプソケット、ランプリフレクター、ランプハウジング、ブレーキピストン、ノイズシールド、スペアタイヤカバー、ソレノイドボビン、エンジンオイルフィルター、点火装置ケース、スカッフプレート、フェイシャーなどの自動車用および二輪車用の各種部品。
・プリプレグ[a]であるプリプレグAの製造方法を以下に示す。
混練装置で、35質量部の“jER”(登録商標)4007P(ジャパンエポキシレジン(株)製)と35質量部のリグリシジル−p−アミノフェノール(“アラルダイド”(登録商標)MY0510(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製))と30質量部のビスフェノールF型エポキシ樹脂(“エピクロン”(登録商標)830(DIC(株)製))に、3質量部の“ビニレック”(登録商標)PVF−K(ポリビニルホルマール)(チッソ(株)製))を配合して、熱可塑性樹脂(PVF−K)をエポキシ樹脂中に溶解した。その後、硬化剤であるジシアンジアミド(硬化剤、DICY−7、三菱化学(株)製)を5質量部、さらに硬化補助剤であるDCMU99(3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア、硬化促進剤(保土ヶ谷化学工業(株)製))を3質量部混練して、エポキシ樹脂組成物を作製した。
アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数3,000本、比重1.8、ストランド引張強度3.5GPa、ストランド引張弾性率230GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、濃度0.05モル/Lの硫酸水溶液を電解質として、電気量を炭素繊維1g当たり3クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。そして、“jER(登録商標)”825(ジャパンエポキシレジン(株)製)をアセトンに混合し、均一に溶解した約1質量%のアセトン溶液を得た。このアセトン溶液を用い、浸漬法により表面処理された炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で180秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維を得た。サイジング剤の付着量は、表面処理された炭素繊維100質量部に対して0.5質量部となるように調整した。
調製したエポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して66g/m2の樹脂フィルムを、2枚作製した。一方、前記のように得られた樹脂フィルムを、炭素繊維Aをシート状に綾織の二方向クロスに配列させた、目付が198g/m2の炭素繊維シートAを作成した。上記で作製した樹脂フィルム2枚を炭素繊維シートAの両面から重ね、加熱加圧により樹脂を含浸させ、マトリックス樹脂の質量分率が40.0%、目付が330g/m2、厚さが0.22mmのクロスプリプレグを作製した。
基材[b]となる以下の基材A、BおよびCを準備した。
・基材A:“トレカ(登録商標)”クロスCO6151B(東レ(株)製)(目付量:92g/m2、厚さ:0.11mm)
・基材B:“トレカ(登録商標)”クロスCO6343B(東レ(株)製))(目付量:198g/m2、厚さ:0.25mm)
・基材C:サーフェイスマット、FC−30S(セントラルグラスファイバー(株)製))(目付量:30g/m2、厚さ:0.23mm)
実施例で用いているプリプレグ[a]、基材[b]または繊維強化複合材料の繊維体積含有率の測定方法、繊維強化複合材料のボイド含有率、繊維強化複合材料層[B]のボイド分布の測定方法、および意匠面のピンホールの測定方法を次に示す。実施例のプリプレグ積層体及び繊維強化複合材料の作製環境および評価は、特に断りのない限り、温度25℃±2℃、相対湿度50%の雰囲気で行ったものである。
各実施例で得られた繊維強化複合材料から、積層方向とは垂直な面内方向において、縦20mm×横20mmのサンプルを切り出し、その断面を研磨したあと、断面をレーザー顕微鏡(KEYENCE VK−9510)で200倍以上に拡大し、2層以上視野内に収まるようにして写真撮影した。同様の操作から各層について10箇所を無作為に選択し、各層の厚さを測定した。各層の厚さ、繊維の目付と繊維比重から、各層の繊維体積含有率を求めた。試料が有する繊維強化複合材料層[A]の繊維体積含有率の平均値、繊維強化複合材料層[B]の平均値を求めた。これを合計6試料で行い、6試料の平均値を繊維体積含有率とした。
縦20mm×横20mmのサンプルを、(1)と同様の条件にて断面を写真撮影した。各層を撮影した写真から、ボイド部分とそれ以外の部分の2値化処理を実施し、繊維強化複合材料のボイド含有率を算出した。
実施例で得られた繊維強化複合材料を(1)と同様の条件にて断面を写真撮影し、繊維強化複合材料の内部のボイドを検査した。繊維強化複合材料層[B]の切断面の中央部分に、切断面全体のボイド面積の80〜100%が分布している場合はA、ボイドが中央部分に80%未満分布している場合はBとした。ここで、切断面の中央部分とは、切断面全体の全面積の形状を80%に縮小した重心を含む全面積の80%の面積部分を示す。
(1)で作製した繊維強化複合材料を縦100mm×横100mmで切り出した。得られたサンプルを目視で、意匠面のピンホールを検査した。判定基準として、ピンホール数が10個以下の場合はA+、11個以上30個以下の場合はA、31個以上の場合はBとした。
表1に示すようにプリプレグ[a]の材料としてプリプレグAを用い、基材[b]として基材Aを用いて、意匠面からプリプレグA、基材A、第1のプリプレグAおよび第2のプリプレグAの順で4層を積層し、プリプレグ積層体を作製した。意匠面にあるプリプレグAが本発明でいうプリプレグ構造体[a2]、第1のプリプレグAおよび第2のプリプレグAからなる積層構造がプリプレグ[a1]構造体に相当する。
基材[b]の材料を表1に示したものに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてプリプレグ積層体を作製した。作製したプリプレグ積層体の測定結果を表1に示す。
(実施例4〜6)
プリプレグ[a]の材料としてプリプレグAを用い、基材[b]として基材Aを用いて、意匠面から表1に示すとおりの順で、複数のプリプレグAおよび基材Aから構成されるプリプレグ積層体を作製した。測定結果を表1に示す。
(比較例1〜4)
プリプレグ[a]の材料としてプリプレグAを用い、基材[b]として基材Bまたは基材Cを用いて、意匠面から表1に示すとおりの順で、複数のプリプレグAおよび基材BまたはCから構成されるプリプレグ積層体を作製した。なお比較例1では樹脂が含浸していない基板[b]は使用していない。測定結果を表2に示す。
2:プリプレグ[a]の群
2a1、2a2、2a3、2b1および2b2: プリプレグ[a]
3: 基材[b]
10: プリプレグ積層体
Claims (17)
- 樹脂が強化繊維に含浸しているプリプレグ[a]、および樹脂が含浸していない基材[b]を含み、
前記プリプレグ[a]のうちプリプレグ[a]が少なくとも2枚連続して積層されている構造を有し、
前記基材[b]の両側が前記プリプレグ[a]でサンドイッチされた構造を含む、プリプレグ積層体。 - 前記プリプレグ積層体の少なくとも一方の表面が意匠面であり、前記基材[b]が前記意匠面側から2層目または3層目に積層された、請求項1に記載のプリプレグ積層体。
- 前記プリプレグ積層体の少なくとも一方の表面が意匠面であり、前記意匠面側の最外層から順に、プリプレグ[a]、基材[b]および2枚以上のプリプレグ[a]が連続して積層されている構造を有する、請求項1または2に記載のプリプレグ積層体。
- 前記基材[b]の目付量が5〜100g/m2である、請求項1〜3のいずれかに記載のプリプレグ積層体。
- 前記基材[b]の厚さが0.1〜1.5mmである、請求項1〜4のいずれかに記載のプリプレグ積層体。
- 前記基材[b]が、炭素繊維またはガラス繊維を含み、その繊維が不連続である、請求項1〜5のいずれかに記載のプリプレグ積層体。
- 下で定義されるプリプレグ構造体[a1]の厚さが、下で定義されるプリプレグ[a2]1枚の厚さの0.2〜9倍である、請求項1〜6のいずれかに記載のプリプレグ積層体。
プリプレグ構造体[a1]:前記基材[b]の一方の面に積層されているものであって、前記プリプレグ[a]が2枚以上連続して積層されている前記プリプレグ[a]からなる構造体
プリプレグ[a2]:前記基材[b]の他方の面に積層されているプリプレグ[a](ただし前記プリプレグ[a]が積層されている場合はプリプレグ[a]の積層体。) - 前記基材[b]の厚さが、下で定義されるプリプレグ構造体[a1]の厚さの0.1〜3.0倍である、請求項1〜7のいずれかに記載のプリプレグ積層体。
プリプレグ構造体[a1]:前記基材[b]の一方の面に積層されているものであって、前記プリプレグ[a]が2枚以上連続して積層されている前記プリプレグ[a]からなる構造体。 - 請求項1〜8のいずれかに記載のプリプレグ積層体を用いた繊維強化複合材料であって、前記プリプレグ[a]に由来する繊維強化複合材料層[A]の繊維体積含有率をVfA、前記基材[b]に由来する繊維強化複合材料層[B]の繊維体積含有率をVfBとすると、VfA>VfBの関係を有する繊維強化複合材料。
- 繊維強化複合材料層[B]が樹脂を含有しており、含浸されている樹脂が、前記プリプレグ[a]に含浸していた樹脂である請求項9に記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維強化複合材料層[B]の繊維体積含有率が40%以下である、請求項9または10に記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維強化複合材料層[B]両側に存在する繊維強化複合材料層[A]の繊維体積含有率がそれぞれ55%以上である、請求項9から11いずれかに記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維強化複合材料層[B]のボイド含有率が維強化複合材料層[A]のボイド含有率よりも高い、請求項9〜12のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
- 前記繊維強化複合材料層[B]に含まれるボイドが、前記プリプレグ積層体の積層方向に沿った切断面において、切断面の中央部分に80〜100%分布している、請求項9〜13に記載の繊維強化複合材料。
- 請求項1〜8いずれかのプリプレグ積層体を加熱及び加圧して、成形する工程を有する繊維強化複合材料の製造方法。
- 成形させる工程において、さらに−80kPa以下(ゲージ圧)の圧力で行う工程を含む、請求項15に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 加熱および加圧する工程において、プリプレグ[a]に含まれる樹脂が基材[b]に含浸していくものである請求項15または16に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
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