JPWO2018147324A1 - プリフォーム要素、ならびにこれを利用したプリフォームおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

強化繊維と熱硬化性樹脂から構成されるプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有することを特徴とするプリフォーム要素。厚肉部や突起などの肉厚変化を有する立体形状をプレス成形で得る場合であっても、機械特性やキャビティへの充填性に優れ、繊維のブリッジングや樹脂リッチやそりといった問題の回避に有効なプリフォーム要素、これを利用したプリフォーム、およびそれらの製造方法を提供する。

Description

本発明は、プレス成形等の圧縮成形に供することができる強化繊維と熱硬化性樹脂からなるプリプレグによるプリフォーム要素、ならびにこれを利用したプリフォームおよびその製造方法に関するものである。より具体的には、本発明は、特に厚肉部や突起などの肉厚変化を有する繊維強化樹脂成形品の製造が容易であり、リブやボス等の複雑形状へ追従することができ、かつ外観品位に優れた成形品が得られる、自動車構造材や航空機部材およびスポーツ用具等に好適に用いることが可能なプリプレグによるプリフォーム要素、ならびにこれを利用したプリフォームおよびその製造方法に関するものである。

繊維強化樹脂は、軽量かつ高強度、高剛性であるため、釣り竿やゴルフシャフト等のスポーツ・レジャー用途、自動車や航空機等の産業用途などの幅広い分野で用いられている。繊維強化樹脂の製造には、強化繊維等の長繊維からなる繊維補強材に樹脂を含浸した中間材料であるプリプレグを使用する方法が好適に用いられる。プリプレグを所望の形状に切断した後に積層、賦形し、金型内で加熱硬化させることにより繊維強化樹脂からなる成形品を得ることができる。（例えば特許文献１）

また、厚み変化の生じる箇所は良好な充填性を持つ材料で成形することが好ましく、リブなど形状の複雑な箇所だけの一部だけにシートモールドコンパウンド（ＳＭＣ）を配置し、プレス成形によりリブ付の形状を得ることが行われている。（例えば特許文献２）

特開２０１５−１４３３４３公報 特許第５９５０１４９号公報

ところが、プリプレグを所望の形状に切断した後に積層、賦形してプリフォームとし、金型内で圧縮成形する方法において、プリフォームを成形品の略形状としてプレス成形を行う従来の方法では、生産性には優れるものの、肉厚変化部や角部で強化繊維の突っ張りが発生して形状に沿わない場合がある。このような部位では、樹脂リッチや厚みムラが生じて物性や意匠性が低下する課題があった。

一方、同様の圧縮成形の方法において、プリフォームが略成形品形状の立体形状となるようにプリプレグを積層、賦形し、これをプレスする従来の方法では、プリフォームの製造に多くの時間とコストを要する課題があった。

また別に、肉厚変化の生じる箇所のみにＳＭＣなどの等方性で流動性に優れた短繊維強化樹脂材料を配置してからプレスし、成形品を得る方法では、プリプレグと短繊維強化樹脂材料の繊維含有率の違いから樹脂収縮により製品にそりを生じる場合や、そもそも短繊維強化樹脂の機械特性がプリプレグに対して劣ることから、満足な機械特性を得にくい場合もあった。

したがって従来技術では、たとえ成形性の異なる材料を組み合わせて使用しようとも、生産効率と機械特性を両立させつつ、肉厚変化を有する成形品を得るのは極めて困難であった。

そこで本発明の目的は、上記のような問題点に着目し、厚肉部や突起などの肉厚変化を有する立体形状をプレス成形で得る場合であっても、機械特性やキャビティへの充填性に優れ、繊維のブリッジングや樹脂リッチやそりといった問題の回避に有効なプリフォーム要素、ならびにこれを利用したプリフォームおよびその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決せんとするものであり、本発明のプリフォーム要素は、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成されるプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有することを特徴とするプリフォーム要素である。

本発明のプリフォーム要素の好ましい態様によれば、前記プリプレグは、強化繊維が部分的に切断された部位を有する。

本発明のプリフォーム要素の好ましい態様によれば、前記折込部位の少なくとも一部が巻物構造を有する。

本発明のプリフォーム要素の好ましい態様によれば、前記折込部位の少なくとも一部が折畳み構造を有する。

本発明のプリフォーム要素の好ましい態様によれば、強化繊維が前記折込部位において一方向に配向されている。

本発明のプリフォーム要素の好ましい態様によれば、前記折込部位において、前記プリプレグが４層以上に積層されている。

また、本発明のプリフォームは、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第一のプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有するプリフォーム要素が、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第二のプリプレグの積層体の所定位置に少なくとも１つ配されてなることを特徴とするプリフォームである。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、前記プリフォーム要素の少なくとも１つが、第二のプリプレグの積層体の表面に配置されてなる。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、前記プリフォーム要素の少なくとも一部が、第二のプリプレグの積層体によって被覆されている。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、第二のプリプレグの積層体が三次元形状を有する。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、第二のプリプレグの積層体の質量（Ｗ１）と、前記プリフォーム要素の質量（Ｗ２）とがＷ１≧Ｗ２の関係を充足する。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、第二のプリプレグの積層体において測定した硬化度（α１）と、前記プリフォーム要素において測定した硬化度（α２）とがα１≧α２の関係を充足する。

本発明のプリフォームの好ましい態様によれば、第二のプリプレグの積層体において測定した硬化度（α１）が０．５％以上３０％以下である。

さらに、本発明のプリフォームの製造方法は、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第一のプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有するプリフォーム要素を、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第二のプリプレグの積層体の表面に接着することを特徴とする、プリフォームの製造方法である。

本発明のプリフォームの製造方法の好ましい態様によれば、前記プリフォーム要素の少なくとも一部を、第二のプリプレグの積層体で被覆する。

本発明のプリフォームの製造方法の好ましい態様によれば、第二のプリプレグの積層体が三次元形状に予備賦形されている。

本発明に係るプリフォーム要素によれば、立体形状、特に厚肉部や突起などの肉厚変化を有する形状であっても、プレス成形の圧力によってプリプレグの折込部位が容易に変形でき、成形欠陥の回避に有効であり、良好な成形が可能となる。

本発明の折込部位を有するプリフォーム要素に用いられる切込挿入プリプレグの例を示す模式平面図である。 本発明の折込部位を有するプリフォーム要素の例を示す斜視図である。 本発明のプリフォーム要素の折込部位の構造例を示す模式断面図である。 本発明のプリフォーム要素を用いた肉厚変化を有する成形品の形状例を示す斜視図である。 本発明のプリフォーム要素を用いて成形品を得るために用いられる型のキャビティ形状の一例を示す斜視図である。 本発明のプリフォーム要素を用いて成形品を得るために用いられる型のキャビティ形状の他の例を示す斜視図である。 本発明のプリフォーム要素の作製方法例を示す斜視図である。 本発明のプリフォーム要素の断面構造の例を示す模式断面図である。

本発明は、強化繊維と熱硬化性樹脂によるプリプレグの折込部位を有することを特徴とするプリフォーム要素、ならびにこれを利用したプリフォームおよびその製造方法である。次に、本発明の実施形態の詳細を説明する。

［プリフォーム要素］
本発明で用いられるプリフォーム要素はプリプレグを用いたものであり、プリプレグは、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される。

（強化繊維）
プリプレグに用いられる強化繊維の形態は、例えば、連続繊維を用いることができる。連続繊維とは、プリプレグの長手方向に強化繊維が途切れずに（連続して）配置された状態をいう。また、有限長のプリプレグシートにカットした場合、当該プリプレグシートの長手方向の一方の端部から対向する他方の端部まで強化繊維が途切れずに（連続して）配置された状態のものも、連続繊維に含むものとする。

強化繊維を連続繊維としたプリプレグによるプリフォーム要素は、その成形品が負荷にさらされたときに繊維が持つ強度を利用しやすいため、高強度である構成として例示することができる。また、連続繊維としたプリプレグは、その連続繊維が同じ方向に並んだ一方向プリプレグや、連続繊維が織られた形態の織物プリプレグ、もしくは連続繊維が編まれたブレーディングに樹脂を含浸した構成として例示することができる。

強化繊維を連続繊維としたプリプレグに切込を部分的に挿入し、図１に示す切込挿入プリプレグとして用いることもできる。具体的には、プリプレグ６の全面に強化繊維を横切る方向に複数の断続的な切込１２を挿入し、実質的に全ての強化繊維１１が切込１２によって分断された切込挿入プリプレグとすることができる。機械特性の観点からは、一方向プリプレグに切込１２を挿入し、切込挿入プリプレグとして用いることが好ましい。また、切込挿入プリプレグは強化繊維を連続繊維としたプリプレグと併用してプリフォーム要素に使用することができる。

切込挿入プリプレグは、本発明の好ましい態様の一つとして例示することができる。このプリプレグによると、圧縮成形時の流動では切込挿入箇所が開放して強化繊維の繊維束同士が離反することで柔軟性を示すようになり、流動性が高まる。流動性の点からは、前記の切込挿入箇所の切断面は、プリプレグの厚み方向に貫通していることが好ましい。

切込挿入プリプレグが含む切断された強化繊維の長さＬは、好ましくは３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より好ましくは５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。強化繊維の長さＬを好ましい範囲の下限値以上とすることで、成形品は十分な機械特性を発現する。一方、強化繊維の長さＬを好ましい範囲の上限値以下とすることで、プリフォーム要素は成形時に十分な流動性を示す。

切込挿入箇所の切断長は、切込とプリプレグの強化繊維の主軸方向の成す角度θによって異なるが、プリプレグの強化繊維の繊維直交方向１１ｂへの投影長さＷｓとして、好ましくは０．０５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。切断長を好ましい範囲の下限値以上とすることで、切込挿入箇所の開放量が大きくなり、プリフォーム要素は十分な流動性を発現する。一方、切断長を好ましい範囲の上限値以下とすることで、切込挿入箇所の開放が抑制され、外観品位や機械特性に優れた成形品が得られる。

プリプレグとして好ましい強化繊維の体積含有率は、好ましくは４０％以上８０％未満であり、より好ましくは４５％以上７５％未満であり、さらに好ましくは５０％以上７０％未満である。上述したように、一方向プリプレグや切込挿入プリプレグは、強化繊維の充填効率に優れることから、強化繊維の補強効果を引き出すのに好適であり、成形品の剛性を改善する上で効果的である。

プリプレグに含まれる強化繊維の量は、シート状物とした場合における強化繊維の目付け量として、５０ｇｓｍ以上１０００ｇｓｍ未満であることが好ましい。強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸した小片あるいはチョップド繊維束を前駆体とするプリプレグにおいては、目付け量が小さすぎると、プリプレグの面内に強化繊維が存在しない空孔を生じる場合がある。目付けを好ましい範囲の下限値以上とすることにより弱部としての空孔を排除することができるようになる。また、目付けが好ましい範囲の条件未満であれば、成形の予熱において内部へ熱を均一に伝えることができるようになる。目付けは、構造としての均一性と伝熱の均一性を両立させる上で、より好ましくは１００ｇｓｍ以上６００ｇｓｍ未満であり、さらに好ましくは１５０ｇｓｍ以上４００ｇｓｍ未満である。強化繊維の目付け量の測定は、強化繊維のシート状物から１０ｃｍ角の領域を切り出し、その質量を測ることで実施する。測定はシート状物の異なる部位について１０回行い、その平均値を強化繊維の目付け量として採用する。

プリプレグとして、熱硬化性樹脂による未含浸の部位を含んだプリプレグを用いることもできる。ここで未含浸の部位とは、強化繊維の表面に熱硬化性樹脂が付着していない強化繊維を含んだ部位のことである。プリプレグの未含浸部はプレス成形等の圧縮成形を経ることにより熱硬化性樹脂に含浸され、健全な部位として所望の特性を発現し得る。

プリプレグに用いられる強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、金属繊維、天然繊維、および鉱物繊維などを使用することができ、これらは１種または２種以上を併用することができる。中でも、比強度と比剛性が高く軽量化効果の観点から、ＰＡＮ系、ピッチ系およびレーヨン系などの炭素繊維が好ましく用いられる。また、得られる成形品の導電性を高めるという観点から、ニッケルや銅やイッテルビウムなどの金属を被覆した強化繊維を用いることもできる

（熱硬化性樹脂）
プリプレグに使用される熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール、ユリア・メラミン、マレイミドおよびポリイミド等の樹脂、これらの共重合体、変性体、および、これらの少なくとも２種類をブレンドした樹脂が挙げられる。中でも、得られる成形品の力学特性の観点からエポキシ樹脂が好ましく用いられる。また、プリプレグは成形工程で硬化させるため、用いる熱硬化性樹脂の未硬化状態のガラス転移温度は８０℃以下であることが好ましく、より好ましくは７０℃以下であり、さらに好ましくは６０℃以下である。

（折込部位）
本発明のプリフォーム要素は、プリプレグの折込部位を有する。折込部位とは、１枚のプリプレグを折り畳むことで、２層以上のプリプレグの層同士が連続的に繋がった部位をを指す。一般的に用いられる積層体は、所定形状に裁断されたプリプレグを単に厚さ方向に積み重ねるため、各層のプリプレグ同士が繋がっておらず、折込部位を有さない。折込部位について、一例を図２に示す。従来のプリフォーム要素としてのプリプレグは、その面に対する圧縮により繊維直交方向１１ｂへは容易に伸張できる。一方、繊維方向にはほとんど伸張できない。対して、本発明のプリフォーム要素は、圧縮成形時の加圧により、プリフォーム要素１の折込部位２の各層が折込方向と折込長手方向にずれることができる。このため、プリプレグの繊維直交方向１１ｂのみならず、繊維方向にも伸張性を発現できるようになる。

切込挿入プリプレグを用いる場合は、以上の変形に加えて、切込挿入箇所に開口、ずれを生じさせることで、繊維方向への伸張性をさらに向上させることができる。このようにプリプレグ全体が流動できる構成とすることで、端部にまで強化繊維が到達し、樹脂過多となる領域が減じられ、機械特性と外観に優れた成形品を得ることができる。

本発明のプリフォーム要素の厚みは、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。厚みが好ましい範囲内にあることにより、プリフォーム要素の内部まで均一に熱を伝えることが容易となり、引いては外観に優れる成形品が得られるようになる。

折込部位としては、プリフォーム要素の厚みを容易に調整でき、プリフォーム要素の製造も容易であることから、図３（ａ）に示すように、少なくとも一部が巻物構造であることが好ましい。折込部位２を巻物構造とすることで、プリフォーム要素１の厚みを厚くすることが容易である。プリフォーム要素の厚みを厚くすることで、型締めによるプリフォーム要素の加圧時間が増加するため、プリフォーム要素の流動距離を長くすることができ、材料の充填が容易になる。さらに、プリフォーム要素の厚みを好ましい厚みの範囲に設定することで、プリフォーム要素の内部まで均一に熱を伝えることが容易となり、ひいては外観に優れる成形品が得られるようになる。巻物構造は、例えば１枚のプリプレグを端部から順に巻いて作製することで得られる。また例えば、１枚のプリプレグを折畳んだ後に巻いて製作することもできる。また別に、プリプレグを複数枚積層したものからも、同様の手順で巻物構造を得ることができる。

折込部位としては、プリフォーム要素の厚みを容易に調整でき、プリフォーム要素の製造も容易であることから、図３（ｂ）に示すように、少なくとも一部が折畳み構造であることが好ましい。折込部位２を折畳み構造とすることで、プリフォーム要素１の厚みを薄くすることが容易である。プリフォーム要素の厚みを薄くすることで、型締めによるプリフォーム要素の厚みの変化量が減少するため、繊維の乱れが抑制され、機械特性に優れた成形品を得られるようになる。さらに、プリフォーム要素の厚みを好ましい厚みの範囲に設定することで、プリフォーム要素の内部まで均一に熱を伝えることが容易となり、ひいては外観に優れる成形品が得られるようになる。

折畳み構造は、例えば１枚のプリプレグを二つ折りや三つ折りし、それをさらに折畳むことで作製される。また例えば、１枚のプリプレグから断面形状が扁平な厚みの薄い巻物構造を作製した後、折畳んで製作することもできる。また別に、プリプレグを複数枚積層したものからも、同様の手順で折畳み構造を得ることができる。

折込部位の断面形状は、例えば略円形や扁平形状、三角形、四角形などの多角形など任意の形状としても良い。成形品の形状に応じてプリフォーム要素の厚みや幅を調整する際に好ましいものを選択できる。また、巻物構造は中実であっても中空であっても良い。中実であれば成形品にボイドが生じにくくなり好ましく、中空の場合はプリフォーム要素の厚みを厚く設定できるため、前述の理由から材料の充填性が向上する好ましい態様である。

折込部位としては、折込部位の強化繊維を略同一方向に配向させることが好ましい。強化繊維の配向を略同一方向とすることで、プリフォーム要素の繊維方向における剛性が向上するため、厚肉部としての補強効果が向上した成形品を得ることができる。

また、本発明のプリフォーム要素は折込部位を有しているため、従来の積層体には存在し得なかった、厚み方向に配向した強化繊維層が存在する。本発明のプリフォーム要素は三次元方向に強化繊維層が配向しているため、プレス成形時に面内方向のみならず面外方向への材料の流動が促進され、リブなどの厚み方向に突出した形状の形成が容易になる。さらに、厚み方向に配向した強化繊維層は、本発明のプリフォーム要素を用いて成形した成形品の機械特性向上にも寄与する。

折込部位としては、折込部位が少なくとも４層以上のプリプレグの層を有していることが好ましく、８層以上のプリプレグの層を有していることが好ましく、１６層以上のプリプレグの層を有していることがさらに好ましい。一般に、圧縮成形においては、成形型と成形材料の間に生じる摩擦から、プリフォーム要素の表面よりも内部の方が大きく流動する傾向となる。折込部位が少なくとも４層以上であることにより、表面の層が流動しにくい場合であっても内部の層が流動し、プリフォーム要素は良好な流動性、充填性を示す。

折込部位を有するプリフォーム要素は、型キャビティへの配置時に、例えば指で押込むなどして断面形状を変形させることや、長手方向に曲げることができる。キャビティ形状に応じてプリフォーム要素を変形させることができるとの本発明プリフォーム要素の利点は、成形時の流動性を高めることから品位の良い成形品を得る上で好ましい。

［プリフォーム］
製品形状が三次元的な複雑形状を持つとき、所望形状に裁断された複数のプリプレグを積層することや、積層体を組み合わせることで製品形状に適したプリフォームを作製し、成形に用いることが一般的である。この場合、製品の厚肉部では多くの枚数のプリプレグを積層する必要があり、また、肉厚の積層体を三次元形状へ賦形させることは難易度が高く、プリフォームの製造に多くの時間を要する課題があった。さらに、積層体を組み合わせつつ三次元形状の一体成形体を得るには、専用の位置決め治具、賦形治具が必要となることから、製造コストが増加する原因にもなっていた。

本発明のプリフォームは、プリプレグの積層体とプリプレグの折込部位を有するプリフォーム要素からなる。

プリフォームにおいて、プリプレグの積層体の所定位置に前述の折込部を有するプリフォーム要素を配置し、プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームとすると、複雑な形状の成形品を得られ、同時に補強もできるため好ましい。プリプレグの積層体の所定位置としては、製品の厚肉部や突起などの肉厚変化部となる位置とすれば、図４に示すような厚肉部や突起などの肉厚変化を有する形状の成形品３を容易に得ることができるため好ましい。

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームにおいて、折込部位を有するプリフォーム要素は、プリプレグの積層体の少なくとも一方の表面に、少なくとも一つ配置されることが好ましい。このようなプリフォームを用いると、折込部位を有するプリフォーム要素がプリプレグの積層体により先に型締めによって流動を開始して複雑部を形成することで、プリプレグの積層体が含む強化繊維の乱れを抑制しながら複雑形状の成形品を得ることができる。すなわち、機械特性に優れた成形品を得ることができる。

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームにおいて、折込部位を有するプリフォーム要素は、プリプレグの積層体に少なくとも表面の一部を被覆されて配置されることが好ましい。このようなプリフォームを用いると、プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素の接合部が滑らかに成形され、接合部表面での外観品位を損なう樹脂ヒケを抑制することができる。

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームにおいて、プリプレグの積層体は三次元形状に予備賦形されていることが好ましい。このようなプリフォームを用いると、型キャビティの形状に近い形状となるため、プリプレグの積層体のプレス成形中の流動が抑制され、プリプレグの積層体が含む強化繊維の乱れを抑制でき、機械特性に優れた成形品を得ることができる。さらに、このようなプリフォームを用いると、プリフォームの形状が成形品の形状と近い形状であるため、型キャビティへのプリフォームの配置が容易になる。

プリプレグの積層体と折込部位を有するプリフォーム要素とが固着されていることも好ましい態様の例である。このような構成では、プリフォームの搬送や型キャビティへのプリフォームの配置工程において適切なハンドリング性が備わるほか、プリプレグと折込部位を有するプリフォーム要素の相対的な位置関係が、工程間に亘り維持されるようになる。成形型キャビティにおける部位ごとのチャージ率が適正化されることにより、成形品の歩留まりの向上に効果をもたらす。

固着の方法としては、プリプレグのタックを利用して押圧により固着する方法や、振動溶着や超音波溶着等を用いて固着する方法を例示することができる。

プリプレグの積層体が含む樹脂の組成と折込部を有するプリフォーム要素が含む樹脂の組成に特に限定はないが、同じ組成の樹脂を用いることで、一体成形した際に接合部で強度低下を招きにくく、力学特性や外観品位に優れた成形品を得ることができる。

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームにおいて、プリプレグの積層体の質量（Ｗ１（ｇ））と、折込部位を有するプリフォーム要素の質量（Ｗ２（ｇ））との関係において、Ｗ１≧Ｗ２であることが好ましい。このような構成とすることで、プリプレグの積層体が含む強化繊維の乱れを抑制でき、機械特性に優れた成形品を得ることができる。

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素を組み合わせたプリフォームにおいて、プリプレグの積層体において測定した硬化度（α１（％））と、折込部位を有するプリフォーム要素において測定した硬化度（α２（％））との関係において、α１≧α２であることが好ましい。さらに、プリプレグの積層体において測定した硬化度（α１（％））が、０．５％以上３０％以下であることが好ましい。硬化度が小さすぎると、ハンドリング時にプリフォームが容易に変形してしまい、型への配置精度が低下する可能性がある。硬化度を好ましい範囲の下限値以上とすることで、プリフォームの配置精度が向上する。一方、硬化度が大きすぎると、プレス成形の成形圧力によってプリフォームの流動が生じる前に、熱硬化性樹脂がゲル化してしまい、十分な流動性を得られない場合がある。硬化度を好ましい範囲の上限値以下とすることで、プリフォームは成形時に十分な流動性を得られるようになる。プリプレグの積層体において測定した硬化度（α１（％））を、折込部位を有するプリフォーム要素において測定した硬化度（α２（％））以上とすることで、プリプレグの積層体が含む強化繊維の乱れを抑制でき、機械特性に優れた成形品を得ることができる。

熱硬化性樹脂の硬化度の測定は、例えば示差走査熱量計を用いて反応前後の発熱量を比較することで測定できる。すなわち、硬化度０％のプリプレグの発熱量をＨ０（Ｊ）、測定するプリプレグの発熱量をＨ１（Ｊ）とすると、硬化度α（％）は次の式で求めることができる。

α＝｛（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０｝×１００

プリプレグの積層体と折込部を有するプリフォーム要素はプレス成形によって一体成形されればよく、配置方法に特に限定はないが、プレス成形の型締め過程でプリプレグの積層体と折込部位を有するプリフォーム要素が接触するように配置すればよい。

得られる成形品の意匠性を改善する観点から、本発明のプリフォーム要素および／またはプリフォームの表面に、加飾フィルム、透明フィルムおよび色調フィルムからなる群から選択された少なくとも一種を接着することが好ましい。ここで、加飾フィルムとは、そのフィルム表面に、意匠および／または幾何学的紋様を有していることが好ましい態様として例示することができる。また、透明フィルムとは、そのフィルムの可視光線の透過率が８０〜１００％の樹脂を用いることが好ましい態様として例示することができる。また、色調フィルムとは、有機系および／または無機系の顔料や着色剤を含有することが好ましい態様として例示することができる。その他、必要に応じ、光沢フィルム、プリントフィルム、帯電防止フィルム、遮光フィルム、および耐熱フィルムなどを用いることができる。

本発明のプリフォーム要素および／またはプリフォームを用いて得られる成形品の用途としては、例えば、「パソコン、ディスプレイ、ＯＡ機器、携帯電話、携帯情報端末、ファクシミリ、コンパクトディスク、ポータブルＭＤ、携帯用ラジオカセット、ＰＤＡ（電子手帳などの携帯情報端末）、ビデオカメラ、デジタルビデオカメラ、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品などの筐体、トレイ、シャーシ、内装部材、またはそのケース」などの電気、電子機器部品、「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」、「フード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、アッパーバックパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジなどの、外板、またはボディー部品」、「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」、または「モーター部品、ＣＮＧタンク、ガソリンタンク、燃料ポンプ、エアーインテーク、インテークマニホールド、キャブレターメインボディー、キャブレタースペーサー、各種配管、各種バルブなどの燃料系、排気系、または吸気系部品」などの自動車、二輪車用構造部品、「その他、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、二輪車用部品、「ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ」などの航空機用部品が挙げられる。

また、力学特性の観点から、本発明のプリフォーム要素を用いて得られる成形品は、電気、電子機器用の筐体、土木、建材用のパネル、自動車用の構造部品、および航空機用の部品に好ましく用いられる。

次に、実施例により本発明のプリフォーム要素および／またはプリフォームとその成形品について、さらに詳細に説明する。本発明の実施例で用いた評価方法は、次のとおりである。

（１）プリフォーム要素の寸法：
プリフォーム要素の厚み、幅、長さはノギスを用いて１ｍｍ単位で測定した。

（２）プリフォーム要素またはプリフォームの硬化度：
プリフォーム要素、または、プリフォームを構成するプリプレグの積層体とプリフォーム要素から、それぞれ２０ｍｇの試料を切り出し、示差走査熱量計を用いてそれぞれの発熱量Ｈ１（Ｊ）を測定した。次いで、硬化度０％のプリプレグの発熱量Ｈ０（Ｊ）を測定し、硬化度α（％）を次の式で求めた。

α＝｛（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ０｝×１００

（３）成形品の充填性：
それぞれ図５、６に示す型キャビティを持つ型（１）、型（２）を用いて、プリフォーム要素、プリフォームそれぞれのプレス成形を実施した。成形品の充填は、成形品端部の断面を研磨観察して次の基準で評価した。◎と○を合格とした。

◎（優）：成形品に充填不良による欠けが見られず、かつ、成形品の端部において繊維強化と熱硬化性樹脂がともに存在する。
○（良）：成形品に充填不良による欠けが見られないが、成形品の端部において熱硬化性樹脂のみしか存在しない。
×（不可）：成形品に充填不良による欠けが見られる。

（４）成形品の外観品位：
成形品の外観品位は、目視による凹凸が見られないものを○（良）、凹凸が確認できるものを×（不可）として判別した。表面に成形不良に起因する黄変や樹脂リッチによる凹凸が生じたものについても×と分類する。ここで○を合格とした。

本発明の実施例で用いたプリプレグは、次のとおりである。

［プリプレグ］
プリプレグとして、一方向プリプレグＰ３２５２Ｓ−２０（東レ株式会社製）を用いた。このプリプレグの特性は次の通りである。以降、プリプレグ（Ａ）とする。

・炭素繊維密度：１．８０ｇ／ｃｍ^３
・炭素繊維引張強度：４．９ＧＰａ
・炭素繊維引張弾性率：２３０ＧＰａ
・糸目付：２００
・樹脂含有率：３３％
・厚み：０．１９ｍｍ

［切込挿入プリプレグ］
プリプレグＡに自動裁断機を用いて切込を挿入することで、切込挿入プリプレグを作製した。切込以外の特性は前述の一方向プリプレグと同様である。以降、プリプレグ（Ｂ）とする。

［折込部位を有するプリフォーム要素のみを使用した場合の実施例］
（実施例１）
図７に示すように、長さ方向と強化繊維の主軸方向の成す角が０度となるように、プリプレグ（Ｂ）を長さ１００ｍｍ×幅２００ｍｍの寸法に２枚裁断し、端部から幅方向に順に巻き上げることで、断面形状が略円形である１００ｍｍ長のプリフォーム要素（１）を２本作製した（図８（ａ））。このプリフォーム要素（１）は巻物構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。得られたプリフォーム要素（１）の一本について、前述の方法で寸法、硬化度を測定した。また、得られたプリフォーム要素の残りを、１５０℃の温度に温度調整した型（１）のキャビティ中央に静置した。ついで、上型と下型を近接させて、プリフォーム要素を１０ＭＰａで加圧しながら型内で１０分間加熱し、成形品を得た。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１と同様にプリプレグ（Ｂ）を裁断し、厚み方向に押圧しながら、端部から幅方向に順に巻き上げることで、断面形状が楕円形のプリフォーム要素（２）を作製した（図８（ｂ））。このプリフォーム要素（２）は巻物構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。次いで、得られたプリフォーム要素を８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例１と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

（実施例３）
実施例１と同様の寸法にプリプレグ（Ｂ）を裁断し、１５０ｍｍ幅の領域を４回二つ折りにした後、残りの５０ｍｍを周囲に巻き付けることで、断面形状が四角形のプリフォーム要素（３）を作製した（図８（ｃ））。このプリフォーム要素（３）は折畳み構造と巻物構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。次いで、得られたプリフォーム要素を８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例１と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

（実施例４）
実施例１と同様にプリプレグ（Ｂ）を裁断し、幅方向に二つ折りにした後、さらに三つ折りし、その三つ折りの端部が接するようにさらに三つ折りして、断面形状が三角のプリフォーム要素（４）を作製した（図８（ｄ））。このプリフォーム要素（４）は折畳み構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。次いで、得られたプリフォーム要素を８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例１と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

（実施例５）
プリプレグ（Ａ）を長さ方向と強化繊維の主軸方向の成す角が０度となるように、長さ２００ｍｍ×幅１００ｍｍの寸法に２枚裁断し、端部から幅１０ｍｍ分折り返した後、裏返してさらに１０ｍｍ折り返すという操作を続け、断面形状が扁平なプリフォーム要素（５）を作製した（図８（ｅ））。このプリフォーム要素（５）の折畳み構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。その後、実施例１と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

（比較例１）
プリプレグ（Ａ）を長さ方向と強化繊維の主軸方向の成す角が０度となるように、長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍの寸法に２０枚裁断し、厚み方向に積層し、厚み４ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの積層体を作製した。実施例１と同様の方法で成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

（比較例２）
実施例１と同様の寸法にプリプレグ（Ｂ）を裁断し、幅方向に１５０ｍｍの領域を幅方向に４回二つ折りにした後、残りの幅５０ｍｍを周囲に巻き付けることで、断面形状が四角形のプリフォーム要素（Ｃ−２）を作製した。このプリフォーム要素（Ｃ−２）は折畳み構造と巻物構造から成る折込部位を有し、折込部位の強化繊維はプリフォーム要素の長さ方向に配向していた。次いで、得られたプリフォーム要素を８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例１と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表１に示す。

［プリフォームを用いた場合の実施例］
（実施例６）
プリプレグ（Ａ）を、長さ方向と強化繊維の主軸方向の成す角が０、±４５、９０度となるように、長さ１００ｍｍ×幅１００ｍｍの寸法にそれぞれ８枚裁断し、積層構成が［４５／０／−４５／９０］_２ｓとなるように積層し、プリプレグの積層体（６）を２枚作製した。さらに、実施例１と同様のプリフォーム要素（６）を２本作製した。得られたプリプレグの積層体（６）とプリフォーム要素（６）の一本とについて、前述の方法で寸法、硬化度を測定した。また、得られたプリフォーム要素（６）の残りを、１５０℃の温度に温度調整した型（２）の図６に破線で示す配置部位５ａに配置し、さらにプリプレグの積層体（６）を型キャビティに配置してプリフォームを得た。ついで、上型と下型を近接させて、プリフォームを５ＭＰａで加圧しながら型内で１０分間加熱し、成形品を得た。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表２に示す。

（実施例７）
実施例６と同様にプリプレグを裁断し、［０／−４５／９０／（４５／０／−４５／９０）_ｓ／（９０／−４５／０／４５）］となるように積層体（７）を作製した。さらに、実施例２と同様の方法でプリフォーム要素（７）を作製した。次いで、プリプレグの積層体（７）の表層０度層側に、プリフォーム要素（７）を配置し、その上に長さ方向と強化繊維の主軸方向が４５度方向の長さ１００ｍｍ×幅１００ｍｍの寸法のプリプレグを１枚積層し、得られたプリフォームを８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例６と同様の方法で寸法、硬化度の測定、成形を実施し、硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観を評価した。結果を表２に示す。

（実施例８）
実施例６と同様の方法でプリプレグの積層体（８）を作製した。さらに、実施例３と同様の方法でプリフォーム要素（８）を作製した。次いで、得られた積層体を６０度の温度に温度調整した型（２）のキャビティに静置した。ついで、上型と下型を近接させて、積層体を加圧しながら型内でしばらく加熱し、予備賦形されたプリプレグの積層体を得た。その後、実施例６と同様の方法で積層体とプリフォーム要素を組み合わせてプリフォームとし、成形を行った。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表２に示す。

（比較例３）
実施例６と同様の方法でプリプレグの積層体を２枚作製した。さらに、各積層板の表裏層に長さ方向と強化繊維の主軸方向が０度方向の長さ１００ｍｍ×幅１００ｍｍの寸法のプリプレグをそれぞれ１枚ずつ積層し、積層体（Ｃ−３）を２枚作製した。一枚について、前述の方法で寸法、硬化度を測定した後、もう一枚の積層体（Ｃ−３）を、１５０℃の温度に温度調整した型（２）に配置してプリフォームを得た。ついで、上型と下型を近接させて、プリフォームを加圧しながら型内で５分間加熱し、成形品を得た。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表２に示す。

（比較例４）
実施例６と同様の方法でプリプレグの積層体（Ｃ−４）を作製した。さらに、実施例１と同様の方法でプリフォーム要素（Ｃ−４）を作製した。次いで、得られたプリフォーム要素（Ｃ−４）を８０度のオーブン中でしばらく加熱した。その後、実施例６と同様の方法で積層体とプリフォーム要素を組み合わせてプリフォームとし、成形を行った。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表２に示す。

（比較例５）
プリプレグ（Ａ）を、長さ方向と強化繊維の主軸方向の成す角が０、±４５、９０度となるように、長さ５０ｍｍ×幅１００ｍｍの寸法にそれぞれ８枚裁断し、積層構成が［４５／０／−４５／９０］_２ｓとなるように積層し、プリプレグの積層体（６）を２枚作製した。さらに、プリプレグ（Ｂ）を長さ１００ｍｍ×幅１０００ｍｍの寸法に２枚裁断し、端部から幅方向に順に巻き上げることで、断面形状が略円形のプリフォーム要素（Ｃ−５）を２本作製した。なお、プリプレグが含む強化繊維の繊維方向を長さ方向とした。得られたプリプレグの積層体（Ｃ−５）とプリフォーム要素（Ｃ−５）の一本とについて、前述の方法で寸法、硬化度を測定した。また、得られたプリフォーム要素（６）の残りを、１５０℃の温度に温度調整した型（２）の図６に破線で示す配置部位５ａに配置し、プリプレグの積層体（６）を型キャビティに配置してプリフォームを得た。ついで、上型と下型を近接させて、プリフォームを加圧しながら型内で５分間加熱し、成形品を得た。評価した硬化度、成形品の充填性、成形品の表面外観の結果を表２に示す。

表１に示すように、実施例１から５は、適切な硬化度を持たせた折込部位を有するプリフォーム要素により、プリフォーム要素が良流動となり、端部まで欠けが無い成形品が得られるとともに、外観品位に優れ、かつ、ボイドや樹脂リッチがほとんどない力学的特性の良好な成形品が得られた。一方、比較例１、２では、折込部位を有しない、もしくは適切な硬化度を持たないプリフォーム要素を用いたため、成形品末端に欠けが見られたことに加え、流動が阻害されて大きな樹脂リッチが生じて外観品位に劣る結果となった。

また、表２に示すように、実施例６から８は、適切な硬化度を持たせた折込部位を有するプリフォーム要素とプリプレグの積層体の組み合わせにより、プリフォームが良流動となり、端部まで欠けが無い成形品が得られるとともに、外観品位に優れ、かつ、ボイドや樹脂リッチがほとんどない力学的特性の良好な成形品が得られた。一方、比較例３では、折込部位を有するプリフォーム要素を用いず、積層体のみで成形したため、成形品末端に大きな欠けが見られたことに加え、流動が阻害されて大きな樹脂リッチが生じて外観品位に劣る結果となった。さらに、比較例４では、折込部位を有するプリフォーム要素の重量が積層体の重量よりも大きい構成で成形を実施したため、プリフォームが大きく流動して平坦部５ｂにまで大きく流動し、成形品に反りを生じると共に、表面外観が劣る結果となった。

本発明は、自動車構造材や航空機部材およびスポーツ用具等の成形に供されるプリフォームを製造するために広く利用可能である。

１ プリフォーム要素
２ 折込部位
３ 成形品
４、５ キャビティ
５ａ 配置部位
５ｂ 平坦部
６ プリプレグ
１１ 強化繊維
１１ａ 強化繊維の主軸方向
１１ｂ 繊維直交方向
１２ 切込
Ｌ 強化繊維の長さ
Ｗｓ 切断長の繊維直交方向への投影長さ
Ｗｔ 切断長
θ 切込と繊維方向の成す角度

Claims (16)

1. 強化繊維と熱硬化性樹脂から構成されるプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有することを特徴とするプリフォーム要素。
2. 前記強化繊維が連続繊維であり、前記プリプレグが前記連続繊維に切込を部分的に挿入した切込挿入プリプレグである、請求項１に記載のプリフォーム要素。
3. 前記折込部位の少なくとも一部が巻物構造を有する、請求項１または２に記載のプリフォーム要素。
4. 前記折込部位の少なくとも一部が折畳み構造を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のプリフォーム要素。
5. 前記強化繊維が前記折込部位において一方向に配向されている、請求項１〜４のいずれかに記載のプリフォーム要素。
6. 前記折込部位において、前記プリプレグが４層以上に積層されている、請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォーム要素。
7. 強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第一のプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有するプリフォーム要素が、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第二のプリプレグの積層体の所定位置に少なくとも１つ配されてなることを特徴とするプリフォーム。
8. 前記プリフォーム要素の少なくとも１つが、第二のプリプレグの積層体の表面に配されてなる、請求項７に記載のプリフォーム。
9. 前記プリフォーム要素の少なくとも一部が、第二のプリプレグの積層体によって被覆されている、請求項７または８に記載のプリフォーム。
10. 第二のプリプレグの積層体が三次元形状を有する、請求項７〜９のいずれかに記載のプリフォーム。
11. 第二のプリプレグの積層体の質量（Ｗ１）と、前記プリフォーム要素の質量（Ｗ２）とがＷ１≧Ｗ２の関係を充足する、請求項７〜１０のいずれかに記載のプリフォーム。
12. 第二のプリプレグの積層体において測定した硬化度（α１）と、前記プリフォーム要素において測定した硬化度（α２）とがα１≧α２の関係を充足する、請求項７〜１１のいずれかに記載のプリフォーム。
13. 第二のプリプレグの積層体において測定した硬化度（α１）が０．５％以上３０％以下である、請求項７〜１２のいずれかに記載のプリフォーム。
14. 強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第一のプリプレグの少なくとも一部に折込部位を有するプリフォーム要素を、強化繊維と熱硬化性樹脂から構成される第二のプリプレグの積層体の表面に接着することを特徴とするプリフォームの製造方法。
15. 前記プリフォーム要素の少なくとも一部を、第二のプリプレグの積層体で被覆する、請求項１４に記載のプリフォームの製造方法。
16. 第二のプリプレグの積層体が三次元形状に予備賦形されている、請求項１４または１５に記載のプリフォームの製造方法。

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