KR101998017B1 - 테이프 형상 프리프레그 및 섬유 강화 성형체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 국면은, 일 방향으로 배향되는 복수의 섬유와, 이들 복수의 섬유에 함침된 바인더를 구비하는 테이프 형상 프리프레그이며, 평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 함유율이 30체적％ 이상 60체적％ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 배향 방향과 수직 방향의 단면 화상에 기초하여, 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분한 각 영역의 섬유 면적률 a로부터 구해지는 변동 계수 Cv(n)의 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한 상기 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻어지는 파워 스펙트럼 화상의 근사 타원에 기초하여, 하기 식 (1)로 표시되는 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만인 것을 특징으로 하는 테이프 형상 프리프레그이다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)

Description

테이프 형상 프리프레그 및 섬유 강화 성형체
본 발명은, 테이프 형상 프리프레그 및 섬유 강화 성형체에 관한 것이다.
일 방향으로 배향되는 복수의 섬유와, 이들 복수의 섬유에 함침된 바인더를 구비하는 테이프 형상 프리프레그는, 섬유 강화 성형체를 제조하기 위한 중간 재료로서 이용된다. 이 테이프 형상 프리프레그는, 적층 프레스법이나 필라멘트 와인딩법 등에 의해, 섬유 강화 성형체를 성형할 수 있다. 이러한 섬유 강화 성형체를 제조하기 위해 사용되는 테이프 형상 프리프레그에는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수한 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 섬유 강화 성형체를 제조할 때 등에 있어서의 가공성이 우수할 것이 요구된다.
테이프 형상 프리프레그의 가공성을 향상시키는 방법으로서는, 예를 들어, 평균 두께를 저감시킴으로써 유연성을 향상시키는 방법이 있다. 또한, 테이프 형상 프리프레그에 의해 형성되는 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성을 향상시키는 방법으로서는, 예를 들어, 복수의 섬유의 함유량을 증가시키는 방법, 및 복수의 섬유의 분산도 및 배향도를 높이는 방법 등이 있다.
그러나, 테이프 형상 프리프레그의 평균 두께를 저감시키면, 그에 수반하여, 복수의 섬유의 함유량도 저하된다. 또한, 복수의 섬유의 함유량을 증가시키기 위해서, 복수의 섬유의 함유율을 증가시키는 경우, 바인더 함침 시의 섬유의 응집이나 성형 시의 다이와의 마찰 등에 의한 보풀의 발생 등에 기인하여, 복수의 섬유의 분산도 및 배향도가 저하되기 쉬워진다. 이와 같이, 테이프 형상 프리프레그는, 평균 두께의 저감과, 복수의 섬유의 분산도, 배향도 및 함유율의 증가를 동시에 행하기 어렵기 때문에, 이들의 조정만으로는, 상술한 요구를 모두 만족시키는 것은 곤란하다.
그래서, 상술한 요구를 만족시키는 것 등을 검토한 다른 테이프 형상 프리프레그로서는, 예를 들어 강화 섬유 시트에 열가소성 수지를 함침시킨 테이프 형상 프리프레그에 있어서, 단면 형상이 실질적으로 평행 사변형이며, 또한 상하의 표면이 실질적으로 평면인 테이프 형상 프리프레그가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 강화 섬유를 열가소성 수지로 함침시켜 얻어지는 테이프 형상 프리프레그이며, 강화 섬유 모노 필라멘트의 신장 탄성률, 강화 섬유물 필라멘트의 단면적, 테이프 형상 프리프레그 중의 강화 섬유 모노 필라멘트의 개수, 및 테이프 형상 성형 재료의 평균 두께와 공극률을 소정의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 테이프 형상 프리프레그가 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
또한, 250℃의 용융 점도가 1 내지 100Paㆍs인 폴리카르보네이트 수지, 및 일 방향으로 정렬된 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 폴리카르보네이트계 테이프 형상 프리프레그가 제안되어 있다(특허문헌 3 참조).
그러나, 상기 종래의 테이프 형상 프리프레그라도, 가공성이 우수하고, 기계적 특성 및 품질의 균일성의 모든 요구를 만족시키는 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있다는 요구를 만족시키는 것은 곤란하였다.
일본 특허 공개 제2000-355629호 공보 일본 특허 공개 평6-143273호 공보 일본 특허 공개 제2014-91825호 공보
본 발명은, 상술한 바와 같이 사정에 기초하여 이루어진 것이며, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수한 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있고, 또한 가공성이 우수한 테이프 형상 프리프레그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면은, 일 방향으로 배향되는 복수의 섬유와, 이들 복수의 섬유에 함침된 바인더를 구비하는 테이프 형상 프리프레그이며, 평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 함유율이 30체적％ 이상 60체적％ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 배향 방향에 수직인 방향의 단면 화상에 기초하여, 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분한 각 영역의 섬유 면적률 a로부터 구해지는 변동 계수 Cv(n)의 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한 상기 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻어지는 파워 스펙트럼 화상의 근사 타원에 기초하여, 하기 식 (1)로 표시되는 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만인 것을 특징으로 하는 테이프 형상 프리프레그이다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
상기 그리고 그 밖의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 테이프 형상 프리프레그를 나타내는 모식적인 평면도이다.
도 2는, 도 1의 X1-X1선에 있어서의 모식적인 단면 확대도이다.
도 3a는, 복수의 섬유의 분산도의 산출 방법의 설명에 사용되는 모식도다.
도 3b는, 복수의 섬유의 분산도의 산출 방법의 설명에 사용되는 모식도다.
도 3c는, 복수의 섬유의 분산도의 산출 방법의 설명에 사용되는 모식도다.
도 4a는, 테이프 형상 프리프레그의 배향도 P의 산출에 사용하는 단면 화상의 일례이다.
도 4b는, 도 4a의 단면 화상을 이진화 처리한 화상이다.
도 4c는, 도 4b의 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻은 이차원 파워 스펙트럼 화상이다.
도 4d는, 도 4c의 이차원 파워 스펙트럼 화상으로부터 그린 근사 타원을 나타내는 화상이다.
도 5a는, 실시예 1의 테이프 형상 프리프레그의 산술 평균 조도(Ra)의 측정 데이터이다.
도 5b는, 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그의 산술 평균 조도(Ra)의 측정 데이터이다.
도 6a는, 실시예 1의 테이프 형상 프리프레그의 단면 화상이다.
도 6b는, 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그의 단면 화상이다.
도 7a는, 실시예 1의 테이프 형상 프리프레그의 평면 사진이다.
도 7b는, 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그의 평면 사진이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 적절히 도면을 참조하면서 설명한다.
<제1 실시 형태>
[테이프 형상 프리프레그]
도 1 및 도 2의 당해 테이프 형상 프리프레그(1)는, 일 방향으로 배향되는 복수의 섬유(2)와, 이들 복수의 섬유(2)에 함침된 바인더(3)를 구비한다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 다른 임의 성분을 더 구비해도 된다.
당해 테이프 형상 프리프레그(1)는, 평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 함유율이 30체적％ 이상 60체적％ 이하이고, 상기 복수의 섬유의 배향 방향에 수직인 방향의 단면 화상에 기초하여, 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분한 각 영역의 섬유 면적률 a로부터 구해지는 변동 계수 Cv(n)의 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한 상기 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻어지는 파워 스펙트럼 화상의 근사 타원에 기초하여, 하기 식 (1)로 표시되는 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만이다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
당해 테이프 형상 프리프레그는, 평균 두께가 상기 범위이며, 적절하게 얇음으로써, 복수의 섬유의 함유량을 유지하면서, 가공성이 우수하다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 복수의 섬유의 함유율이 상기 범위임으로써, 후술하는 복수의 섬유의 분산도 및 배향도를 유지하면서, 복수의 섬유의 함유량을 증가시킬 수 있다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 단면 화상에 기초하여 산출되는 프랙탈 차원 D가 상기 범위이며 비교적 높다. 여기서, 상기 프랙탈 차원 D는, 수치가 클수록 복수의 섬유의 분산성이 우수한 것, 즉, 복수의 섬유가 보다 균일하게 바인더에 분산되어 있음을 나타낸다. 이 때문에, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 복수의 섬유의 배향도가 상기 범위이며 비교적 높다. 이 배향도는, 수치가 클수록 복수의 섬유의 배향성이 우수한 것, 즉, 복수의 섬유의 배향 방향의 동일성이 높은 것을 나타낸다. 이 때문에, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 이 점에서도 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다. 즉, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 평균 두께, 복수의 섬유의 함유율, 분산도 및 배향도가 상기 범위임으로써, 가공성 및 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성 모두가 균형있게 우수하다.
여기서 「바인더」란, 섬유를 분산시키는 매트릭스 형상의 것을 포함한다. 「평균 두께」란, JIS-K7130:1999 「플라스틱-필름 및 시트-두께 측정 방법」에 준거하여 측정한 값을 말한다. 「섬유의 배향 방향」이란, 테이프 형상 프리프레그의 한쪽 면의 정사각형 영역(예를 들어 500㎛×500㎛)을 현미경으로 관찰했을 때, 상기 영역에 포함되는 섬유의 테이프 형상 프리프레그의 길이 방향에 대한 평균 배향 각도가 나타내는 방향을 말한다. 「섬유의 배향 방향에 수직인 방향의 단면 화상」이란, 섬유의 배향 방향을 법선 방향으로 하는 단면 화상을 말한다. 「섬유의 배향 방향의 단면 화상」이란, 섬유의 배향 방향과 직교하는 방향으로부터 촬영한 단면 화상을 말한다. 즉, 「섬유의 배향 방향의 단면 화상」이란, 예를 들어 테이프 형상 프리프레그의 주면에 평행한 단면 화상 등을 들 수 있다. 「단면 화상」이란, CT 등에 의해 얻어지는 슬라이스상을 포함한다.
당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 두께의 하한으로서는, 50㎛이며, 55㎛가 바람직하고, 62㎛가 보다 바람직하다. 한편, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 두께의 상한으로서는 150㎛이며, 130㎛가 바람직하고, 90㎛가 보다 바람직하고, 70㎛가 더욱 바람직하다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 두께가 상기 하한보다 작은 경우, 가공 시 등에 파단되기 쉬워질 우려가 있다. 반대로, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 두께가 상기 상한을 초과하는 경우, 유연성이 불충분해짐으로써 가공성이 저하될 우려가 있다.
여기서 「평균 두께」의 두께란, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 두께 방향의 길이이다. 예를 들어, 이 두께는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의, 복수의 섬유(2)의 배향 방향 및 폭 방향에 수직인 방향의 길이 등을 들 수 있다.
당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 폭은, 특별히 한정되지 않고, 용도에 맞추어 적절히 변경 가능하다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 폭의 하한으로서는, 예를 들어 1cm이다. 한편, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 폭의 상한으로서는, 예를 들어 50cm이다.
여기서 「평균 폭」이란, 임의의 10점에 있어서 측정한 폭의 평균값을 말한다. 폭이란, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 폭 방향의 길이이다. 예를 들어, 폭이란, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의, 복수의 섬유(2)의 배향 방향 및 두께 방향에 수직인 방향의 길이 등을 들 수 있고, 보다 구체적으로는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의, 복수의 섬유(2)의 배향 방향에 수직인 방향의 길이 중, 가장 긴 길이 등을 들 수 있다.
당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 산술 평균 조도(Ra)의 하한으로서는, 2㎛가 바람직하고, 3.5㎛가 보다 바람직하고, 4㎛가 더욱 바람직하다. 한편, 상기 산술 평균 조도(Ra)의 상한으로서는 8㎛가 바람직하고, 6㎛가 보다 바람직하고, 4.5㎛가 더욱 바람직하다. 상기 산술 평균 조도(Ra)가 상기 하한보다 작은 경우, 적층 프레스나 필라멘트 와인딩 시에 층간으로부터 공기가 빠지기 어려워지기 때문에, 가공성의 저하의 우려가 있다. 또한, 섬유 강화 성형체에 기포가 발생함으로써, 기계적 특성의 저하, 외관의 악화 등의 우려가 있다. 한편, 상기 산술 평균 조도(Ra)가 상기 상한을 초과하는 경우, 적층 프레스나 필라멘트 와인딩 시에 층간에 간극이 발생하기 쉬워지기 ?문에, 가공성의 저하의 우려가 있다. 또한, 섬유 강화 성형체에 기포가 발생하는 것에 의한 기계적 특성의 저하, 외관의 악화 등의 우려가 있다. 또한, 제조 및 보존 시에, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 보빈 등에 권회했을 때에 권회물이 불필요하게 커질 우려가 있다. 여기에서의 산술 평균 조도(Ra)는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 표면 산술 평균 조도이다. 즉, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의, 복수의 섬유(2)의 배향 방향에 수직인 방향에 있는 표면의 산술 평균 조도이며, 예를 들어 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 주면의 산술 평균 조도 등을 들 수 있다.
여기서 「산술 평균 조도(Ra)」란, 측정 방법을 JIS-B0651:2001 「제품의 기하 특성 수단(GPS)-표면 성상: 윤곽 곡선 방식-촉침식 표면 조도 측정기의 특성」에 준거하여, 평가 길이를 2.5mm, 컷오프값을 0.8mm로 하여 산출되는 표면 조도의 산술 평균값을 말한다.
(섬유)
복수의 섬유(2)는, 일 방향으로 배향되고, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성을 향상시킨다. 복수의 섬유(2)의 배향 방향은, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 길이 방향과 동일하면 된다. 복수의 섬유(2)로서는, 예를 들어 유리 섬유, 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 천연 식이 섬유 등을 주성분으로 하는 것을 들 수 있다. 복수의 섬유(2)로서는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소 섬유로서는, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 석유 피치계 탄소 섬유, 석탄 피치계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유, 리그닌계 탄소 섬유 등을 들 수 있다.
상기 유기 섬유로서는, 예를 들어 폴리벤조티아졸, 폴리벤조옥사졸 등의 복소환 함유 중합체에 의해 형성되는 섬유, 아라미드 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등을 들 수 있다.
상기 금속 섬유의 주성분으로서는, 예를 들어 구리, 철, 스테인리스, 알루미늄, 니켈, 은, 이들의 합금 등을 들 수 있다.
복수의 섬유(2)는, 표면 처리를 받은 것이어도 된다. 상기 표면 처리로서는, 예를 들어 커플링 처리, 산화 처리, 오존 처리, 플라스마 처리, 코로나 처리, 블라스트 처리 등을 들 수 있다.
복수의 섬유(2)의 분산도의 하한으로서는, 0.4이며, 0.5가 바람직하고, 0.6이 보다 바람직하고, 0.75가 더욱 바람직하다. 한편, 복수의 섬유(2)의 분산도의 상한으로서는 1.5이며, 1.3이 바람직하고, 1.0이 바람직하고, 0.85가 보다 바람직하다. 복수의 섬유(2)의 분산도가 상기 하한보다 작은 경우, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성이 불충분해질 우려가 있다. 반대로, 복수의 섬유(2)의 분산도가 상기 상한을 초과하는 경우, 비용의 증가와, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성의 향상의 밸런스가 악화될 우려가 있다.
여기서, 복수의 섬유(2)의 분산도는, 이하의 수순에 의해 산출되는 값을 말한다. 상기 수순에 대해서, 모식도로서 도 3a 내지 도 3c를 참조하면서 설명한다. 먼저, 복수의 섬유(2)의 배향 방향에 수직인 방향으로 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 절단하여, 현미경(예를 들어, 올림푸스사의 광학 현미경 「BX51」)에 의해 단면 화상을 촬영한다(도 3a). 이 단면 화상은, 필요에 따라서, 복수의 섬유(2)가 백색, 바인더(3)가 흑색이 되도록, 화상 처리 소프트웨어(예를 들어, 휴링크스사의 「SigmaScanPro」)로 이진화 처리해도 된다. 이어서, 상기 단면 화상의 정사각형 영역(예를 들어, 75㎛사방, 도 3a에 있어서의 영역 Z)을 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분하여(도 3b, n=7), n2개의 각 영역에서 복수의 섬유(2)의 면적률 a를 측정한다. 이러한 각 영역의 면적률 a의 평균값 aAVG를 표준 편차 σa로 나눔으로써 변동 계수 Cv(n)를 산출한다. 그리고, X축에 1/n, Y축에 변동 계수 Cv(n)를 양대수 플롯하여, 최소 제곱법에 의해 근사 직선의 기울기를 구한다(도 3c). 상기 기울기에 -1을 곱한 값인 프랙탈 차원 D를 복수의 섬유(2)의 분산도로 한다. 상기 플롯에 있어서의 플롯수의 하한으로서는, 예를 들어 5이다. 한편, 상기 플롯에 있어서의 플롯수의 상한으로서는, 예를 들어 10이다. 또한, n의 하한으로서는, 예를 들어 5이다. 한편, n의 상한으로서는, 예를 들어 100이다.
복수의 섬유(2)의 배향도 P의 하한으로서는, 0.8이며, 0.85가 바람직하고, 0.9가 보다 바람직하다. 한편, 복수의 섬유(2)의 배향도 P는, 1.0 미만이다. 복수의 섬유(2)의 배향도 P의 상한으로서는 0.99가 바람직하고, 0.96이 보다 바람직하고, 0.95가 더욱 바람직하다. 복수의 섬유(2)의 배향도 P가 상기 하한보다 작은 경우, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성이 불충분해질 우려가 있다. 반대로, 복수의 섬유(2)의 배향도 P가 상기 상한을 초과하는 경우, 비용의 증가와, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성의 향상의 밸런스가 악화될 우려가 있다.
여기서, 복수의 섬유(2)의 배향도 P는, 이하의 수순에 의해 산출되는 값을 말한다. 상기 수순에 대해서, 도 4a 내지 도 4d를 참조하면서 설명한다. 먼저, X선 투시 장치(예를 들어, 시마즈 세이사쿠쇼사의 「SMX-1000Plus」)를 사용한 X선CT(컴퓨터 단층 촬영) 등에 의해, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 복수의 섬유(2)의 배향 방향의 단면 화상(슬라이스 화상)을 촬영한다(도 4a). 촬영 방법으로서는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 면 방향과 직교하는 방향으로부터 촬영하는 방법이 바람직하다. 또한, 이 단면 화상은, 필요에 따라서 밀도가 낮은 부분이 백색, 밀도가 높은 부분이 흑색이 되도록 화상 처리에서 이진화 처리해도 된다(도 4b). 이어서, 상기 단면 화상의 정사각형 영역(예를 들어, 1.0mm사방)에 대한 푸리에 변환에 의해 이차원 파워 스펙트럼 화상을 얻는다(도 4c). 이 파워 스펙트럼 화상으로부터 평균 진폭의 각도 분포도를 얻어 그 근사 타원을 그리고(도 4d), 그 근사 타원의 긴 직경(도 4d의 d1) 및 짧은 직경(도 4d의 d2)을 측정하고, 이하의 식 (1)에 의해 배향도 P를 산출한다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
또한, 배향도 P는, 복수(예를 들어, 3)의 단면 화상을 사용하여 측정한 값의 평균값이면 된다. 상기 복수의 단면 화상은, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 한쪽 면으로부터의 거리가 각각 상이하면 된다. 상기 거리는, 일정(예를 들어 테이프 형상 프리프레그의 한쪽 면으로부터의 거리가 각각 평균 두께의 5％, 50％ 및 95％)하면 된다.
복수의 섬유(2)의 평균 섬유 길이는, 특별히 한정되지 않고, 용도에 따라서, 적절히 변경 가능하다. 단, 복수의 섬유(2)의 평균 섬유 길이는, 입수 가능한 복수의 섬유(2)의 1 보빈의 연속 섬유 길이가 상한이 된다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 길이는, 복수의 섬유(2)의 평균 섬유 길이와 대략 동일하다.
복수의 섬유(2)의 평균 섬도로서는, 특별히 한정되지 않고, 시판되어 입수 가능한 복수의 섬유의 섬도나 테이프 형상 프리프레그의 평균 두께 및 평균 폭에 따라서 적절히 변경 가능하다. 복수의 섬유(2)가 탄소 섬유인 경우의 구체적인 평균 섬도로서는, 예를 들어 800g/1,000m 이상 3,200g/1,000m 이하이다. 또한, 복수의 섬유(2)가 유리 섬유인 경우의 구체적인 평균 섬도로서는, 예를 들어 1,000g/1,000m 이상 5,000g/1,000m 이하이고, 보다 구체적으로는, 1,200g/1,000m, 2,400g/1,000m, 4,800g/1,000m 등이다. 여기서 「평균 섬도」란, JIS-L1013:2010 「화학 섬유 필라멘트사 시험 방법」에 기재된 B법(간편법)에 준거하여 측정한 정량 섬도의 평균값을 말한다. 또한, 1g/1,000m은, 1tex에 상당한다.
복수의 섬유(2)의 함유율의 하한으로서는, 30체적％이며, 35체적％가 바람직하고, 40체적％가 보다 바람직하다. 한편, 복수의 섬유(2)의 함유율의 상한으로서는, 60체적％이며, 55체적％가 바람직하고, 50체적％가 보다 바람직하다. 복수의 섬유(2)의 함유율이 상기 하한보다 작은 경우, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성의 저하의 우려가 있다. 반대로, 복수의 섬유(2)의 함유율이 상기 상한을 초과하는 경우, 복수의 섬유(2)의 분산도 및 배향도의 상기 범위로의 조정이 곤란해질 우려가 있다.
여기서 「복수의 섬유의 함유율」은, JIS-K7075:1991 「탄소 섬유 강화 플라스틱의 섬유 함유율 및 공동율 시험 방법」에 준거하여 측정되는 복수의 섬유의 질량 함유율을 밀도로 나눔으로써 산출되는 체적 함유율을 말한다.
(바인더)
바인더(3)는, 복수의 섬유(2)에 함침시켜, 복수의 섬유(2)를 접착시킨다. 바인더(3)는, 복수의 섬유(2)을 분산시키는 매트릭스로서 기능해도 된다. 바인더(3)는, 통상, 열가소성 수지를 주성분으로 하고, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서, 다른 임의 성분을 함유해도 된다. 상기 다른 임의 성분으로서는, 예를 들어 열경화성 수지, 그의 경화제 등을 들 수 있다.
여기서 「주성분」이란, 가장 함유량이 많은 성분이며, 예를 들어 함유량이 50질량％ 이상인 성분을 말한다.
열가소성 수지로서는, 예를 들어 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 직쇄 저밀도 폴리에틸렌 등의 폴리에틸렌, 나일론 6, 나일론 66 등의 폴리아미드, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리아세탈, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤 등을 들 수 있다. 열가소성 수지로서는, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리카르보네이트 및 이들의 조합이 바람직하다.
바인더(3)에 있어서의 열가소성 수지의 함유량 하한으로서는, 60질량％가 바람직하고, 75질량％가 보다 바람직하고, 90질량％가 더욱 바람직하고, 99질량％가 특히 바람직하다. 열가소성 수지의 함유량이 상기 하한보다 작은 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 가공성의 저하의 우려가 있다.
열경화성 수지로서는, 예를 들어 불포화 폴리에스테르, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 벤조옥사진 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 폴리이미드 등을 들 수 있다. 또한, 이들 열경화성 수지는, 통상 경화 처리에 의한 삼차원 가교 구조의 형성을 행하지 않은 미경화의 열경화성 수지이다. 또한, 바인더(3)가 열경화성 수지를 함유하는 경우, 이 열경화성 수지에 대응하는 경화제를 더 함유하면 된다.
바인더(3)의 함유율의 하한으로서는, 40체적％가 바람직하고, 45체적％가 보다 바람직하고, 50체적％가 더욱 바람직하다. 한편, 바인더(3)의 함유율의 상한으로서는, 70체적％가 바람직하고, 65체적％가 보다 바람직하고, 60체적％가 더욱 바람직하다. 바인더(3)의 함유율이 상기 하한보다 작은 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 제조가 곤란해질 우려가 있다. 반대로, 바인더(3)의 함유율이 상기 상한을 초과하는 경우, 복수의 섬유(2)의 함유량이 불충분해질 우려가 있다.
당해 테이프 형상 프리프레그(1)이 포함해도 되는 임의 성분으로서는, 예를 들어 실리카, 알루미나, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 붕산아연, 산화안티몬 등의 무기 필러, 아크릴 고무 미립자, 실리콘 파우더, 나일론 파우더 등의 유기 필러 등을 들 수 있다.
[테이프 형상 프리프레그의 제조 방법]
당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 용융된 바인더(3)를 복수의 섬유(2)에 함침시키는 공정(함침 공정)과, 바인더(3)를 함침시킨 복수의 섬유(2)를 노즐에 통과시키는 공정(노즐 통과 공정)과, 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)를 냉각시키는 공정(냉각 공정)을 구비하는 방법(인발법) 등을 들 수 있다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 제조 방법은, 섬유 다발을 개섬하는 공정(개섬 공정)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
(개섬 공정)
상기 개섬 공정은, 섬유 다발을 개섬한다. 개섬된 섬유 다발은, 후술하는 함침 공정에서 복수의 섬유(2)로서 사용한다. 섬유 다발을 개섬하는 방법으로서는, 예를 들어, 중심을 축으로 회전하는 단면 원형의 개섬 롤러의 회전면과, 모터에 의한 권취 등에 의해, 장력이 부가되면서 주행하는 섬유 다발을 접촉시키는 방법 등을 들 수 있다. 상기 방법에서는, 개섬 롤러의 회전면과의 접촉에 의해, 섬유 다발이 복수의 섬유(2)로 개섬된다. 또한, 상기 개섬 롤러 대신에, 중심을 축으로 회전하지 않는 단면 원형의 가이드 바를 사용해도 된다.
섬유 다발은, 도 1 및 2의 복수의 섬유(2)를 묶은 것이다. 섬유 다발에 포함되는 섬유수는, 섬유 다발의 종류 등에 따라서 적절히 변경 가능하다. 섬유 다발이 탄소 섬유의 섬유 다발인 경우, 섬유 다발에 포함되는 섬유수로서는, 예를 들어 10,000개 이상 50,000개 이하이고, 구체적으로는, 예를 들어 12,000개(12K), 24,000개(24K), 48,000개(48K) 등이다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 제조 방법에서는, 섬유 다발을 1개만 사용해도 되고, 2개 이상 사용해도 된다.
상기 개섬 공정은, 사전에 섬유 다발을 예열해도 된다. 이에 의해, 섬유 다발에 부착되어 있는 수렴제를 연화시킬 수 있고, 그 결과, 개섬 공정 및 후술하는 함침 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 수렴제란, 복수의 섬유(2)를 수렴시켜 취급하기 쉽게 하기 위해 섬유 다발에 부착시키는 것이다. 섬유 다발을 예열하는 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 종래 공지된 예열기 등을 사용하는 방법 등을 들 수 있다. 상기 예열 온도의 하한으로서는, 예를 들어 80℃이다. 한편, 상기 예열 온도의 상한으로서는, 예를 들어 200℃이다.
섬유 다발이 접촉되는 상기 개섬 롤러 및 가이드 바의 합계수의 하한으로서는, 3이 바람직하고, 4가 보다 바람직하다. 한편, 상기 개섬 롤러 및 가이드 바의 합계수의 상한으로서는, 8이 바람직하고, 6이 보다 바람직하다. 상기 개섬 롤러 및 가이드 바의 합계수가 상기 하한보다 작은 경우, 섬유 다발의 개섬이 불충분해지고, 복수의 섬유(2)가 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 폭 방향 중앙으로 치우침으로써 분산도 및 배향도가 저하될 우려가 있다. 반대로, 상기 개섬 롤러 및 가이드 바의 합계수가 상기 상한을 초과하는 경우, 섬유 다발이 과도하게 개섬되고, 성형 시에 복수의 섬유(2)가 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 폭 방향 양단으로 치우침으로써 분산도 및 배향도가 저하될 우려가 있다. 또한, 섬유 다발에 부가되는 장력이 증가하는 것에 의한 섬유 다발의 파단의 우려가 있다.
섬유 다발에 부가되는 장력의 하한으로서는, 예를 들어 250g이다. 한편, 섬유 다발에 부가되는 장력의 상한으로서는, 예를 들어 350g이다. 섬유 다발에 부가되는 장력이 상기 하한보다 작은 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 복수의 섬유(2)의 분산도 및 배향도가 저하될 우려가 있다. 반대로, 섬유 다발에 부가되는 장력이 상기 상한을 초과하는 경우, 섬유 다발의 파단 등의 우려가 있다.
섬유 다발에 부가되는 장력은, 대략 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 섬유 다발에 부가되는 장력을 대략 일정하게 유지하는 방법으로서는, 예를 들어, 댄서 롤에 의해 섬유 다발에 부여하는 장력을 조정하는 방법 등을 들 수 있다. 섬유 다발에 부가되는 장력을 대략 일정하게 유지함으로써 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 분산도 및 배향도를 높일 수 있다.
섬유 다발의 주행 속도의 하한으로서는, 예를 들어 2.5m/분이다. 한편, 섬유 다발의 주행 속도의 상한으로서는, 예를 들어 5.0m/분이다. 섬유 다발의 주행 속도가 상기 하한보다 작은 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 생산성 저하의 우려가 있다. 반대로, 섬유 다발의 주행 속도가 상기 상한을 초과하는 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 복수의 섬유(2)의 분산도 및 배향도가 저하될 우려가 있다.
(함침 공정)
상기 함침 공정은, 용융된 바인더(3)를 복수의 섬유(2)에 함침시킨다. 복수의 섬유(2)로서는, 예를 들어 섬유 다발을 개섬한 것 등을 들 수 있다. 복수의 섬유(2)에 용융된 바인더(3)를 함침시키는 방법으로서는, 예를 들어, 모터에 의한 권취 등에 의해, 장력을 부가하면서 복수의 섬유(2)를 주행시켜, 용융된 바인더(3)의 저류 용기 내를 통과시키는 방법 등을 들 수 있다. 이에 의해, 복수의 섬유(2) 사이에는 용융된 바인더(3)가 함침된다. 상기 함침 공정은, 상기 개섬 공정과 동시에 행하면 된다. 즉, 용융된 바인더(3)의 저류 용기 내에 상기 개섬 롤러 및 가이드 바를 배치하고, 섬유 다발을 개섬시키면서 용융된 바인더(3)를 함침시키면 된다.
용융된 바인더(3)의 저류 용기 내의 온도의 하한으로서는, 예를 들어 200℃이다. 한편, 용융된 바인더(3)의 저류 용기 내의 온도의 상한으로서는, 예를 들어 300℃이다.
용융된 바인더(3)의 MFR(용융 유속)의 하한으로서는, 25g/10분이 바람직하고, 50g/10분이 보다 바람직하다. 한편, 용융된 바인더(3)의 MFR의 상한으로서는 150g/10분이 바람직하고, 120g/10분이 보다 바람직하다. 용융된 바인더(3)의 MFR이 상기 하한보다 작은 경우, 후술하는 노즐 통과 공정이 곤란해질 우려가 있다. 한편, 용융된 바인더(3)의 MFR이 상기 상한을 초과하는 경우, 후술하는 노즐 통과 공정에서 바인더(3)의 성형이 곤란해질 우려가 있다. 여기서 「용융된 바인더(3)의 MFR」은, JIS-K7210-1:2014 「플라스틱-열가소성 플라스틱의 멜트 매스 플로우레이트(MFR) 및 멜트 볼륨 플로우레이트(MVR)를 구하는 방법 - 제1부: 표준적 시험 방법」에 준거하여 측정한 값을 말한다.
(노즐 통과 공정)
상기 노즐 통과 공정은, 바인더(3)를 함침시킨 복수의 섬유(2)를 노즐에 통과시킨다. 바인더(3)를 함침시킨 복수의 섬유(2)를 노즐에 통과시키는 방법으로서는, 모터에 의한 권취 등에 의해, 바인더(3)를 함침시킨 복수의 섬유(2)를 장력을 부가하면서 주행시켜, 노즐에 통과시키는 방법 등을 들 수 있다. 상기 주행 속도 및 부가되는 장력은, 통상, 개섬 공정과 동일하다. 복수의 섬유(2)와, 이 복수의 섬유(2)에 함침되는 바인더(3)란, 상기 노즐 통과 공정에서 테이프 형상으로 성형된다. 상기 노즐의 온도의 하한으로서는, 예를 들어 200℃이다. 한편, 상기 노즐의 온도의 상한으로서는, 예를 들어 300℃이다.
상기 노즐은, 개구가 직사각형 슬릿이면 된다. 상기 직사각형 슬릿의 길이 방향의 평균 길이는, 상술한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 폭과 대략 동일하게 할 수 있다. 또한, 상기 직사각형 슬릿의 짧은 방향의 평균 길이는, 상술한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 두께와 대략 동일하게 할 수 있다. 상기 직사각형 슬릿의 길이 방향 및 짧은 방향의 평균 길이의 조정에 의해, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 평균 폭 및 평균 두께를 조정할 수 있다.
(냉각 공정)
상기 냉각 공정은, 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)를 냉각시킨다. 상기 냉각 공정은, 개섬된 복수의 섬유(2)가 응집하기 전에 바인더(3)를 급냉하여 고화시키는 것을 목적으로 한다. 상기 냉각 공정에 의해, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)가 완성된다. 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)를 냉각시키는 방법으로서는, 예를 들어, 표면을 냉각시킨 냉각 롤러와, 모터에 의한 권취 등에 의해, 장력이 부가되면서 주행하는, 노즐을 통과시킨 복수의 섬유(2)를 접촉시키는 방법 등을 들 수 있다. 상기 주행 속도 및 부가되는 장력은, 통상, 개섬 공정과 동일하다. 상기 냉각 롤러의 표면을 냉각시키는 방법으로서는, 예를 들어, 냉각수를 공급하는 방법 등을 들 수 있다.
상기 냉각 공정은, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 휨 등을 방지하는 관점에서, 2개의 냉각 롤러를 사용하고, 한쪽 냉각 롤러는, 노즐을 통과한 섬유 다발의 표면에 접촉시키고, 다른 쪽 냉각 롤러는, 노즐을 통과한 섬유 다발의 이면에 접촉시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각 공정은, 3 이상의 냉각 롤러를 사용해도 된다. 또한, 상기 냉각 공정은, 수랭 또는 공랭에 의해, 상기 냉각 롤러의 하류에서 노즐을 통과한 섬유 다발을 더 냉각시켜도 된다.
상기 냉각 롤러의 표면 온도의 하한으로서는, 예를 들어 15℃이다. 한편, 상기 냉각 롤러의 표면 온도의 상한으로서는, 예를 들어 30℃이다.
바인더(3)가 함침된 복수의 섬유(2)는, 노즐을 통과한 직후에는 표면이 비교적 매끄럽지만, 시간의 경과와 함께 용융된 바인더(3)의 유동 등에 의해 서서히 표면이 거칠어진다. 그 때문에, 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)가 냉각 롤러에 접촉될 때까지의 시간, 냉각 롤러의 표면 온도, 냉각 롤러의 수 및 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)와 냉각 롤러의 접촉 면적의 조정에 의해, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 산술 평균 표면 조도(Ra)를 원하는 범위로 조정할 수 있다.
상술한 노즐을 통과한 복수의 섬유(2)가 냉각 롤러에 접촉될 때까지의 시간은, 노즐의 선단과, 바인더(3)가 함침된 복수의 섬유가 냉각 롤러에 접촉하는 위치 사이의 거리(이하, 「노즐의 선단과 냉각 롤러 사이의 거리」라고도 함)로 조정할 수 있다. 상기 거리의 하한으로서는, 5mm가 바람직하고, 8mm가 보다 바람직하다. 한편, 상기 거리의 상한으로서는 20mm가 바람직하고, 12mm가 보다 바람직하다. 상기 거리가 상기 하한 미만인 경우, 또는 상기 상한을 초과하는 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 산술 평균 표면 조도(Ra)를 원하는 범위로 조정하는 것이 곤란해질 우려가 있다.
[이점]
당해 테이프 형상 프리프레그(1)는, 평균 두께가 적절하게 얇고, 복수의 섬유(2)의 함유율이 적절하게 많으며, 또한 복수의 섬유(2)의 분산도 및 배향도가 적절하게 높음으로써, 가공성 및 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성 모두가 균형있게 우수하다.
<제2 실시 형태>
[섬유 강화 성형체]
당해 섬유 강화 성형체는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 구비하고 있다. 또한, 당해 섬유 강화 성형체는, 1매의 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 포함하는 것이어도 되고, 복수매의 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 구비하는 것이어도 된다. 당해 섬유 강화 성형체로서는, 예를 들어 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 복수매 적층한 적층체를 들 수 있다. 즉, 당해 섬유 강화 성형체는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 복합화한 것이다. 당해 섬유 강화 성형체의 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 판 형상, 통 형상 등을 들 수 있다. 판 형상의 당해 섬유 강화 성형체는, 예를 들어 자동차, 항공기 등의 외장 등에 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 통 형상의 당해 섬유 강화 성형체는, 예를 들어 골프 샤프트, 낚싯대 등의 스포츠 용품, 탱크, 배관 등의 구조체의 보강재 등에 적절하게 사용할 수 있다.
[판 형상의 섬유 강화 성형체의 제조 방법]
판 형상의 당해 섬유 강화 성형체의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 원하는 크기로 절단하는 공정(절단 공정)과, 절단한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)끼리의 적층에 의해 적층체를 형성하는 공정(적층체 형성 공정)과, 상기 적층체를 가열 가압하는 공정(가열 가압 공정)을 구비하는 방법(적층 프레스법) 등을 들 수 있다.
(절단 공정)
상기 절단 공정은, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 원하는 크기로 절단한다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 원하는 크기로 절단하는 방법으로서는, 예를 들어, 커터, 가위 등을 사용하여, 복수의 섬유(2)의 배향 방향과 수직 방향 및/또는 평행 방향으로 절단하는 방법 등을 들 수 있다.
(적층체 형성 공정)
상기 적층체 형성 공정은, 절단한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)끼리의 적층에 의해 적층체를 형성한다. 이 적층체를 형성하는 방법으로서는, 예를 들어, 절단한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 기재의 상측에 순차 적층하는 방법 등을 들 수 있다. 상기 적층체의 층수의 하한으로서는, 예를 들어 4이다. 한편, 상기 적층체의 층수의 상한으로서는, 예를 들어 100이다. 또한, 상기 적층체는, 적어도 일부의 층이 당해 테이프 형상 프리프레그(1) 이외의 다른 층이어도 된다. 상기 다른 층으로서는, 예를 들어 금속, 수지 등을 주성분으로 하는 층 등을 들 수 있다.
상기 적층체 형성 공정에서는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 복수의 섬유(2)의 배향 방향이 의사 등방(擬似 等方)이 되도록 적층하면 된다. 즉, 어떤 층의 복수의 섬유(2)의 배향 방향을 0°로 했을 때, 이 어떤 층에 인접하여 적층되는 층의 복수의 섬유(2)의 배향 방향이 180°/m(m은 전체 층수)씩 기울도록 적층하면 된다. 이와 같이, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 복수의 섬유(2)의 배향 방향이 의사 등방이 되도록 적층함으로써, 당해 섬유 강화 성형체에 있어서의 복수의 섬유(2)의 배향 방향에 의사 등방성을 부여할 수 있어, 모든 방향으로부터의 부하에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
(가열 가압 공정)
상기 가열 가압 공정은, 상기 적층체를 가열 가압한다. 가열 가압함으로써, 상기 적층체를 구성하는 각 프리프레그에 포함되는 바인더가 용융되어, 적층된 프리프레그가 복합화된다. 상기 적층체를 가열 가압하는 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 프레스 성형법, 오토클레이브 성형법, 배깅 성형법, 랩핑 테이프법, 내압 성형법 등의 종래 공지된 방법 등을 들 수 있다. 상기 가열 온도로서는, 예를 들어 150℃ 이상 250℃ 이하이다. 또한, 상기 가압 압력으로서는, 예를 들어 3MPa 이상 8MPa 이하이다. 상기 가열 가압의 시간으로서는, 예를 들어 1분 이상 15분 이하이다.
[통 형상의 섬유 강화 성형체의 제조 방법]
통 형상의 당해 섬유 강화 성형체의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 지지체에 권회하는 공정(권회 공정)과, 권회한 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 가열 가압하는 공정(가열 가압 공정)을 구비하는 방법(필라멘트 와인딩법) 등을 들 수 있다. 상기 가열 가압 공정은, 판 형상의 당해 섬유 강화 성형체의 제조 방법과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.
(권회 공정)
상기 권회 공정은, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 지지체에 권회한다. 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 지지체로의 권회 방법으로서는, 예를 들어, 나선 감기, 패러렐 감기 등을 들 수 있다. 상기 지지체로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 금속, 수지 등을 주성분으로 하는 원주 형상 또는 통 형상의 지지체 등을 들 수 있다.
통 형상의 당해 섬유 강화 성형체의 제조 방법은, 가열 가압 공정 후, 상기 지지체로부터 당해 섬유 강화 성형체를 분리시켜도 된다. 또한, 상기 지지체가 탱크, 배관 등의 구조체인 경우, 상기 지지체로부터 당해 섬유 강화 성형체를 분리시키지 않고, 상기 구조체의 내압에 대한 강도를 향상시키는 보강재로서 사용해도 된다.
<이점>
당해 섬유 강화 성형체는, 당해 테이프 형상 프리프레그(1)를 적층하여 제조되기 때문에, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다.
[그 밖의 실시 형태]
상기 실시 형태는, 본 발명의 구성을 한정하는 것은 아니다. 따라서, 상기 실시 형태는, 본 명세서의 기재 및 기술 상식에 기초하여 상기 실시 형태 각 부의 구성 요소의 생략, 치환 또는 추가가 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
당해 테이프 형상 프리프레그는, 한쪽 면에 접착제층 등의 다른 층이 적층되어 있어도 된다. 또한, 복수의 섬유의 주성분이 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성을 갖는 섬유인 경우, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 복수의 섬유의 배향 방향으로는 도전성을 갖지만, 그 이외의 방향으로는 도전성을 갖지 않기 때문에, 이방성 도전층의 형성에 사용할 수 있다.
본 명세서는, 상술한 바와 같이, 각종 형태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 주된 기술을 이하에 정리한다.
본 발명의 일 국면은, 일 방향으로 배향되는 복수의 섬유와, 이들 복수의 섬유에 함침된 바인더를 구비하는 테이프 형상 프리프레그이며, 평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하, 상기 복수의 섬유의 함유율이 30체적％ 이상 60체적％ 이하, 상기 복수의 섬유의 배향 방향과 수직 방향의 단면 화상에 기초하여, 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분한 각 영역의 섬유 면적률 a로부터 구해지는 변동 계수 Cv(n)의 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하, 또한 상기 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻어지는 파워 스펙트럼 화상의 근사 타원에 기초하여, 하기 식 (1)로 표시되는 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만인 것을 특징으로 하는 테이프 형상 프리프레그이다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
당해 테이프 형상 프리프레그는, 가공성 및 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성 모두가 균형있게 우수하다.
상기 테이프 형상 프리프레그에 있어서, 상기 복수의 섬유가, 유리 섬유, 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 또는 이들의 조합을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
이들 섬유는, 유연성 및 강도의 밸런스가 우수하다. 그 때문에, 상기 복수의 섬유가 유리 섬유, 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 또는 이들의 조합을 주성분으로 함으로써, 가공성을 보다 향상시킬 수 있고, 또한 복수의 섬유의 분산도 및 배향도를 보다 높게 하기 쉽기 때문에, 섬유 강화 성형체의 기계적 특성 및 품질의 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 테이프 형상 프리프레그에 있어서, 상기 바인더의 주성분이, 열가소성 수지인 것이 바람직하다.
열가소성 수지는, 가열에 의해 용융 및 성형이 용이하게 가능하기 때문에, 상기 바인더가 상술한 열가소성 수지를 주성분으로 함으로써, 가공성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 테이프 형상 프리프레그에 있어서, 산술 평균 조도 Ra가, 2㎛ 이상 8㎛ 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 당해 테이프 형상 프리프레그의 상기 산술 평균 조도(Ra)를 상기 범위로 함으로써, 적층 프레스나 필라멘트 와인딩 시에 층간으로부터 공기가 빠지기 쉬워지기 때문에, 가공성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 섬유 강화 성형체의 기포 발생을 억제할 수 있기 때문에, 기계적 특성 및 품질 균질성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 국면은, 상기 테이프 형상 프리프레그를 구비하는 섬유 강화 성형체이다.
당해 섬유 강화 성형체는, 당해 테이프 형상 프리프레그를 적층하여 제조되기 때문에, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다.
본 발명에 따르면, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수한 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있고, 또한 가공성이 우수하다. 또한, 당해 섬유 강화 성형체는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 실시예에서 사용한 복수의 섬유(섬유 다발)와 바인더에 사용하는 수지를 이하에 나타낸다.
탄소 섬유(CF): 도레이사의 토레카 사(絲) 「T-700SC」(12K)
유리 섬유(GF): 니토보사의 다이렉트 로빙 「RS240 QR483」(2,400tex)
폴리프로필렌(PP): 프라임폴리머사의 「프라임폴리프로」(MFR=30g/10분)와, 섬유/수지 계면 접착제로서 산요 가세이사의 무수 말레산 변성 폴리프로필렌 「유멕스 1010」를 질량비 95:5로 드라이 블렌드한 것
<테이프 형상 프리프레그의 제조>
이하의 조건에서 인발법을 행하고, 사용하는 섬유 다발의 종류 및 수, 노즐의 직사각형 슬릿의 치수(짧은 방향), 그리고 노즐의 선단과 냉각 롤러 사이의 거리를 조정함으로써, 표 1에 나타내는 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 테이프 형상 프리프레그를 제조하였다.
노즐의 직사각형 슬릿의 치수: 길이 방향 15mm, 짧은 방향 60㎛ 이상 180㎛ 이하
섬유 여열 온도/수지 함침조 온도/노즐 온도: 180℃/250℃/250℃
냉각 롤러 온도: 20℃
테이프 형상 프리프레그 인취 속도(섬유 다발의 주행 속도): 3.5m/분
노즐의 선단과 냉각 롤러 사이의 거리: 실시예 10mm, 비교예 40mm
<테이프 형상 프리프레그의 특성 측정 방법>
[산술 평균 조도(Ra)]
테이프 형상 프리프레그의 산술 평균 조도(Ra)는, JIS-B0651:2001에 준거하여, 평가 길이를 2.5mm, 컷오프값을 0.8mm로 하여 산출하였다. 여기에서의 산술 평균 조도(Ra)는, 테이프 형상 프리프레그의 주면의 조도를 나타낸다. 또한, 실시예 1의 측정 데이터를 도 5a에, 비교예 1의 측정 데이터를 도 5b에 각각 나타낸다.
[분산도(프랙탈 차원 D)]
테이프 형상 프리프레그의 프랙탈 차원 D는, 본 발명의 실시 형태에서 설명한 방법에 의해 측정하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그를 복수의 섬유의 배향 방향과 수직 방향으로 절단하고, 현미경에 의해 촬영한 단면 화상을 도 6a 및 도 6b에 각각 나타낸다. 이 단면 화상의 정사각형 영역(75㎛사방)으로부터 프랙탈 차원 D를 구하였다.
[배향도 P]
테이프 형상 프리프레그의 배향도 P는, 이하의 방법으로 측정하였다. 즉, 먼저 당해 테이프 형상 프리프레그(1)의 면 방향과 직교하는 방향으로부터, 테이프 형상 프리프레그의 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상을 촬영하였다. 이어서, 이 단면 화상을 밀도가 낮은 부분이 백색, 밀도가 높은 부분이 흑색이 되도록 화상 처리에서 이진화 처리하였다. 그 후, 상기 단면 화상의 정사각형 영역(75㎛사방)에 대한 푸리에 변환에 의해 이차원 파워 스펙트럼 화상을 얻었다. 이 파워 스펙트럼 화상으로부터 평균 진폭의 각도 분포도를 얻어 그 근사 타원을 그리고, 그 근사 타원의 긴 직경 및 짧은 직경을 측정하여, 이하의 식 (1)에 의해 배향도 P를 산출하였다.
배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
[테이프 형상 프리프레그의 외관]
실시예 1 및 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그의 평면 사진을 도 7a 및 도 7b에 나타낸다. 실시예 1의 테이프 형상 프리프레그는, 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만이기 때문에, 외관이 균일하였다. 한편, 비교예 1의 테이프 형상 프리프레그는, 프랙탈 차원 D가 상기 범위 밖이기 때문에, 표면에 줄무늬가 확인되었다.
<평가>
[굽힘 시험]
각 테이프 형상 프리프레그를 소정의 길이로 절단하여, 표 1에 나타내는 매수를 적층하고, 캐비티의 평균 폭이 15mm인 금형에 장전하였다. 이 금형을 핫 프레스 상에서 무압으로써 220℃로 가열하여, 10분 유지함으로써 수지를 용융시켰다. 수지 용융 후, 테이프 형상 프리프레그에 압박 지그를 적재하고, 이 압박 지그를 통해 220℃, 5MPa, 2분간 가압한 상태를 유지하였다. 그 후, 금형을 상온까지 냉각시켜, 표 1에 나타내는 평균 두께의 섬유 강화 수지 성형체를 얻었다. 이 섬유 강화 수지 성형체를 시험편으로 하여 JIS-K7074:1988년 「탄소 섬유 강화 플라스틱의 굽힘 시험 방법」에 준거하여 3점 굽힘 시험을 행하고, 각 시험편의 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률을 측정하였다. 3점 굽힘 시험의 조건을 이하에 나타낸다.
시험편 치수: 길이 100mm, 폭 15mm
온도: 상온
압자 반경: 5mm
지지점 반경: 2mm
지점간 거리: 80mm
시험 속도: 1.0mm/min
3점 굽힘 시험은, 각 시험편당 5점씩 행하여, 그 평균값 및 표준 편차를 산출하였다. 굽힘 강도[MPa] 및 굽힘 탄성률[GPa]은, 그 수치가 클수록 기계적 특성이 우수한 것을 나타내고, 또한 그 표준 편차가 작을수록 품질의 균일성이 우수한 것을 나타낸다. 굽힘 강도는, 평균값이 330MPa 이상이고, 또한 표준 편차가 20.0 이하인 경우를 「A(양호)」, 그 이외의 경우를 「B(양호하지는 않음)」로 판단한다. 또한, 굽힘 탄성률[GPa]은, 평균값이 25MPa 이상이고, 또한 표준 편차가 4.0 이하인 경우를 「A(양호)」, 그 이외의 경우를 「B(양호하지는 않음)」로 판단한다. 평가 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112017123563349-pct00001
표 1로부터 명백한 바와 같이, 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만인 실시예 1 내지 5의 테이프 형상 프리프레그에 의해 제작한 시험편은, 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률이 양호하였다. 한편, 프랙탈 차원 D 및 배향도 P 중 어느 것이 상기 범위 밖인 비교예 1 내지 4의 테이프 형상 프리프레그에 의해 제작한 시험편은, 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률 중 어느 것이 양호하지는 않았다. 이로부터, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 프랙탈 차원 D 및 배향도 P를 상기 범위로 함으로써, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수한 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있다고 판단된다. 또한, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이기 때문에, 가공성도 우수하다고 판단된다.
또한, 실시예의 테이프 형상 프리프레그는, 산술 평균 조도(Ra)가 2㎛ 이상 8㎛ 이하여서, 적층 프레스나 필라멘트 와인딩 시에 층간으로부터 공기가 빠지기 쉬워지기 때문에, 가공성이 우수하다고 판단된다. 또한, 섬유 강화 성형체의 기포 발생을 억제할 수 있기 때문에, 기계적 특성 및 품질 균질성이 보다 우수하다고 판단된다.
이 출원은, 2015년 5월 22일에 출원된 일본 특허 출원 제2015-105014호를 기초로 하는 것이며, 그 내용은, 본원에 포함되는 것이다.
본 발명을 표현하기 위해, 상술에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통해 본 발명을 적절하면서 충분히 설명하였지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 할 수 있는 것으로 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 수준의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.
본 발명에 따르면, 당해 테이프 형상 프리프레그는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수한 섬유 강화 성형체를 형성할 수 있고, 또한 가공성이 우수하다. 또한, 당해 섬유 강화 성형체는, 기계적 특성 및 품질의 균일성이 우수하다.

Claims (5)

  1. 일 방향으로 배향되는 복수의 섬유와, 이들 복수의 섬유에 함침된 바인더를 구비하는 테이프 형상 프리프레그이며,
    평균 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이고,
    상기 복수의 섬유의 함유율이 30체적％ 이상 60체적％ 이하이고,
    상기 복수의 섬유의 배향 방향에 수직인 방향의 단면 화상에 기초하여, 종횡으로 n(n은 2 이상의 정수) 등분한 각 영역의 섬유 면적률 a로부터 구해지는 변동 계수 Cv(n)의 프랙탈 차원 D가 0.4 이상 1.5 이하이며, 또한
    상기 복수의 섬유의 배향 방향의 단면 화상에 대한 푸리에 변환에 의해 얻어지는 파워 스펙트럼 화상의 근사 타원에 기초하여, 하기 식 (1)로 표시되는 배향도 P가 0.8 이상 1.0 미만인 것을 특징으로 하는 테이프 형상 프리프레그.
    배향도 P=1-(근사 타원의 짧은 직경/긴 직경) ㆍㆍㆍㆍ(1)
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 섬유가, 유리 섬유, 탄소 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 또는 이들의 조합을 주성분으로 하는 테이프 형상 프리프레그.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바인더의 주성분이, 열가소성 수지인 테이프 형상 프리프레그.
  4. 제1항에 있어서, 산술 평균 조도 Ra가, 2㎛ 이상 8㎛ 이하인 테이프 형상 프리프레그.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 테이프 형상 프리프레그를 구비하는 섬유 강화 성형체.
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