WO2007020910A1 - 等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シートとその製造方法並びに成形板 - Google Patents

等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シートとその製造方法並びに成形板 Download PDF

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thermoplastic resin
preda
reinforced thermoplastic
sheet
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Takeru Ohki
Takeshi Naito
Yoshitaka Umemoto
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Teijin Techno Products Limited
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Definitions

  • Isotropic fiber reinforced thermoplastic resin sheet method for producing the same, and molded sheet
  • the present invention relates to a fiber reinforced plastic, and more specifically, is an isotropic fiber reinforced thermoplastic resin sheet using a chopped strand preplender consisting of thermoplastic resin and reinforced fiber.
  • the present invention relates to a method of manufacturing the same and a molded plate obtained from the sheet.
  • reinforcing fiber materials such as carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers are complexed with various matrix resins, and the resulting fiber-reinforced plastic is widely used in various fields' applications. It has And, in the aerospace field and general industrial fields where high mechanical properties and heat resistance etc. are required, conventionally, as a matrix resin, thermosetting of unsaturated polyester resin, epoxy resin, polyimide resin etc. Resin has been used. However, particularly in the aviation 'space field, these matrix resins have the disadvantage of being less brittle and impact resistant, and their improvement has been sought.
  • thermosetting resin when it is used as a pre-predator, there is a problem in storage management of the pre-preda due to the short lifetime of the resin, and the following property to the product shape is poor. There were also problems such as long molding time and low productivity.
  • thermoplastic resin pre-plader there is a possibility that the molding cost can be reduced because the impact resistance of the composite material is excellent, the pre-plader can be easily stored and managed, and the molding time is short.
  • thermoplastic resin prepreda having a thermoplastic resin as a matrix
  • the form of reinforced fiber and the surface tension of its orientation also exist as follows.
  • a continuous fiber is used as a reinforcing fiber to make a unidirectionally aligned fiber sheet or woven fabric, and this and a thermoplastic resin to form a pre-preda.
  • Such pre-preda has the advantage of being able to increase the volume content of fibers, and has excellent elastic modulus and strength in the fiber axis direction.
  • Such pre-preda has good flowability at the time of molding, for example, flowability at the time of stamping, and is suitable for molding molded articles of various complicated shapes.
  • the volume fraction of reinforcing fibers can not be increased because a mechanism for fluidizing the reinforced fibers with resin is essential at the time of molding while forming.
  • the volume content of reinforcing fibers is low, and physical properties such as elastic modulus and strength are inferior to those using continuous fibers because the length of reinforcing fibers is short.
  • Patent Document 1 JP-A-9-155862
  • Patent Document 1 has good dispersion property in which the weight content of reinforcing fibers is high, strength and elastic modulus are in-plane quasi-isotropic, and
  • the weight content of reinforcing fibers is 50% to 85%, The weight content of thermoplastic resin is 15% to 50%,
  • Average fiber length of reinforcing fiber is 5 mn! It is stated that it is necessary to be satisfied that it is ⁇ 50 mm and (3) non-directionally dispersed reinforcing fibers.
  • Patent Document 1 aims to increase the weight content of glass fibers, in particular using glass fibers as reinforcing fibers, and has excellent mechanical properties even if the volume content of reinforcing fibers is low. I do not suggest things ,.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-155862
  • the object of the present invention is to use a chopped strand 'prepreg consisting of thermoplastic resin and reinforcing fibers, and the mechanical physical properties and its properties are relatively low despite the relatively low volume content of reinforcing fibers.
  • An object of the present invention is to provide a fiber reinforced thermoplastic resin sheet excellent in uniformity.
  • Another object of the present invention is to provide an isotropic molded plate using a fiber-reinforced thermoplastic resin sheet which is expensive.
  • the invention according to claim 1 of the present invention is a chopped strand 'pre-preda comprising thermoplastic resin and reinforcing fibers, wherein the fiber volume content (Vf) of the pre-preda is 20 to 50%.
  • the fiber length in the fiber axial direction of the pre-preda is 15 to 45 mm, and the pre-plader having a thickness of 0.13 mm or less is laminated so that the fiber orientation is random, and the laminate is heated.
  • An isotropic fiber-reinforced thermoplastic resin sheet characterized in that it is pressed into a sheet shape.
  • the invention according to claim 3, which is another aspect of the present invention, is a molded plate in which one to a plurality of the fiber-reinforced thermoplastic resin sheets according to claim 1 are laminated and integrally molded.
  • the theory is that the number of laminated layers satisfies the following formula.
  • Theoretical stacking number (thickness of molded plate) / (thickness of one pre-predator) ⁇ 10
  • the invention according to claim 5, which is still another embodiment of the present invention, is a chopped strand preplender having thermoplastic resin, reinforcing fibers and also having a fiber volume content (Vf) of 20. 50%, the length in the fiber axial direction of the pre-preda is 15 to 45 mm, and the pre-preda having a thickness of 0.13 mm or less is laminated so that the fiber orientation becomes random, and then A method for producing an isotropic fiber reinforced thermoplastic resin sheet, characterized in that the laminate is heated and pressed.
  • the fiber-reinforced thermoplastic resin sheet of the present invention and the molded sheet obtained therefrom have a low fiber volume content of reinforcing fibers as compared with the conventional fiber-reinforced thermoplastic resin sheet and molded sheet. Nevertheless, since the reinforcing fibers are randomly dispersed in the surface, they are excellent in physical properties such as strength and elastic modulus, and their physical properties are isotropic. In the present invention, isotropy means that mechanical properties such as strength and elastic modulus do not differ much depending on the direction and are almost uniform.
  • the fiber-reinforced thermoplastic resin sheet of the present invention uses a chopped strand 'pre-plender consisting of a thermoplastic resin and reinforcing fibers.
  • a chopped strand' pre-plender is a thermoplastic resin.
  • it is a pre-plender of small pieces obtained by cutting a unidirectionally arranged strand (fiber bundle) with a matrix of about 25 mm to about 50 mm.
  • Thermoplastic resin Polypropylene, polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ether ketone, aromatic or aliphatic polyamide, aromatic polyester, aromatic polycarbonate, polyether imide, polyarylene oxide, thermoplastic polyimide, polyamide imide And polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene, acrylonitrile, and one or more selected resins such as acrylonitrile butadiene styrene. In addition, depending on the application, it can be used in combination with thermosetting resin.
  • thermoplastic resins may contain commonly used coloring agents, various additives and the like.
  • the pre-plender of the present invention has a fiber volume content (Vf) of 20 to 50%, preferably 20 to 45%, so that the volume content of thermoplastic resin is 80 to 50%, preferably 80 to 55. %, which has a lower percentage of fibers than conventional pre-predas. Therefore, when the reinforcing fiber is expensive, it is cost-effective.
  • Vf fiber volume content
  • the volume fraction of fiber (Vf) exceeds 50%, although the mechanical physical property value increases, the occurrence of voids etc. increases, and the obtained fiber reinforced thermoplastic resin sheet may not have uniform physical properties. Not so desirable.
  • the length in the fiber axis direction of the pre-preda needs to be 15 to 45 mm, and the thickness of the pre-preda needs to be 0.13 mm or less, preferably 0.1 mm or less. If the axial length of the pre-preda exceeds 45 mm, or if the thickness of the pre-pred exceeds 0.13 mm, the isotropy of the obtained fiber-reinforced thermoplastic resin sheet is easily lost and the physical properties are high. Is not preferable because it will not be obtained. Therefore, in the present invention, a fiber reinforced thermoplastic resin sheet having a volume content, a fiber length, a thickness and a V ⁇ satisfying the above conditions and having sufficient mechanical properties and isotropic is obtained. I can not.
  • the reinforcing fibers used in the present invention are inorganic fibers, organic fibers, metal fibers, or fibers obtained by mixing them.
  • inorganic fibers include carbon fibers, graphite fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers, tungsten carbide fibers, boron fibers, glass fibers and the like.
  • organic fibers include aramid fibers, high density polyethylene fibers, and other common organic fibers such as nylon and polyester.
  • metal fibers fibers such as stainless steel and iron can be used, and there are also carbon fibers coated with metal and the like. Especially good It is carbon fiber that is desirable. In the case of carbon fibers, strands of 800 to 1600 tex, 12K to 24K filaments are preferred.
  • the chopped strand 'pre-plinder of the present invention aligns the strands (fiber bundles) of reinforcing fibers to a thickness of 0.13 mm or less, and then combines the aligned fiber bundles with a thermoplastic resin fiber volume.
  • the fiber reinforced thermoplastic resin sheet formed by applying the content (Vf) in the range of 20 to 50% with a desired width, preferably 10 to 30 mm, in the fiber axial direction with respect to the longitudinal direction It can be obtained by cutting so that the length is in the range of 15 to 45 mm.
  • the strands of reinforcing fibers may be untwisted or twisted, but it is preferable to open the strands as much as possible at the time of alignment.
  • the method for applying the thermoplastic resin is not particularly limited.
  • a method of impregnating a directly melted thermoplastic resin into a reinforcing fiber strand a method of melting a film-like thermoplastic resin and impregnating it into a reinforcing fiber strand, melting a powdered thermoplastic resin
  • a method of strand impregnation of reinforcing fibers is not particularly limited, but cutters such as a pelletizer 1, a guillotine method, and a Kodak method can be used.
  • the obtained chopped strand 'pre-preda is uniformly deposited' stacked so that the fiber orientation is random.
  • the pre-predas obtained by cutting are dropped directly from the position, naturally dropped from a position, steel belt etc.
  • a method of depositing on the belt conveyor, a force of blowing air into the dropping path, or a method of attaching a baffle may be considered.
  • a method may be considered in which cut pre-predas are accumulated in a container, a conveying device is attached to the lower surface of the container, and the container is dispersed into a mold or the like for sheet production.
  • thermoplastic resin is melted and integrated with the reinforcing fiber by, for example, heating and pressing this laminate by passing it through a heat roll together with a steel belt, or intermittently pressing it, etc.
  • a fiber reinforced thermoplastic resin sheet is obtained.
  • a method of continuously performing heating and cooling by a belt press a method of preheating by a far-infrared heater, and then cold pressing, or a heating and cooling pre
  • the fiber-reinforced thermoplastic resin sheet obtained as described above can be used as an intermediate material for producing various FRP molded articles.
  • a molded plate obtained by laminating one or a plurality of the fiber-reinforced thermoplastic resin sheets of the present invention and integrally forming them has uniform physical properties such as strength and elastic modulus regardless of the direction.
  • it is possible to use a formed plate whose theoretical number of laminations satisfies the theoretical number of laminations (the thickness of the formed plate) Z (the thickness of one pre-predator) ⁇ io, preferably the number of the theoretical layers ⁇ 15. It is valuable.
  • the method of producing a strong molded plate is not particularly limited, and one or a plurality of the above-mentioned fiber reinforced thermoplastic resin sheets are laminated and molded by a die pressing method, an autoclave method, heating, a cold pressing method, etc. Can be made into a molded plate.
  • a thermoplastic resin may be additionally laminated as needed to adjust the fiber volume content (Vf) or the resin content in the molded plate.
  • the content of the thermoplastic resin in the molding plate is usually 20 to 90% by weight, preferably 30 to 80% by weight.
  • the CV value is an index (coefficient of variation) representing relative dispersion, and (average value of standard deviation Z measurement values) x 100 (
  • the fiber volume content was measured according to the method of JIS K 7075.
  • the flexural strength and flexural modulus were measured in accordance with JIS K 7017.
  • Physical property retention (%) is the value represented by (80 ° C. physical property value Z room temperature physical property value) X 100
  • Carbon fiber 11 chow 12, 000 strands, Toho Tenax Co., Ltd.) or Ranaru long fibers a sheet of carbon fiber strands having a unit weight 40GZm 2 unidirectionally oriented
  • a PA6 film (nylon 6, manufactured by UTICA, basis weight 28. 75 g Zm 2 ) was placed on both sides of the sheet to obtain a sandwich-like laminate in which the sheet was sandwiched between the films.
  • the laminate was heated to 230 ° C. to 260 ° C. to melt and impregnate the PA6 film into a sheet.
  • the thickness of the obtained resin-impregnated sheet was 0. 07-0.08 mm.
  • the fiber volume content was 30%.
  • the slit with the resin-impregnated sheet obtained above is slit to a width of 20 mm (for one strand), and then cut into a length of 25 mm using a guillotine-type cutting machine to obtain a chopped tost Land 'pre-preda was dropped onto the steel belt conveyor and deposited.
  • the pre-preda was laminated on a steel belt so that the fiber orientation was random.
  • the laminate was subjected to heating and pressure treatment at 230 to 260 ° C. and 0.5 to 1.5 MPa using a heat roll to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin sheet of the present invention.
  • the resulting sheet was substantially isotropic in mechanical properties.
  • the isotropic fiber-reinforced thermoplastic resin sheet obtained above is heated to 260 to 280 ° C with a far-infrared heater [This is preheated, and then the mold pressing method is carried out!
  • the plate was heated and pressed at 120 ° C. under the conditions of 40 to 50 MPa to obtain a molded plate of the present invention having a plate thickness of 2.3 mm (theoretical number of layers: 28).
  • the mechanical properties of this molded plate are as shown in Table 1.
  • Carbon fiber HTA- 6K (400tex, 6, 000 strands, Toho Tenax Co., Ltd.) on both surfaces of Tona Ru long fibers a sheet of carbon fiber strands having a unit weight 80GZm 2 oriented in a specific direction, PA6 film ( A sandwich-like laminate was obtained by arranging nylon 6, a Utika company, and having a surface weight of 28.75 g / m 2 ) and sandwiching the sheet-like material with a film. The laminate was calcined at 260 ° C. to melt impregnate the PA6 film into a sheet. The resulting resin-impregnated sheet had a width of about 5 mm and a thickness of 0.26 mm (50% fiber volume content).
  • Example 2 Thereafter, the same processing as in Example 1 is carried out to prepare a fiber-reinforced thermoplastic resin sheet using a strand pre-preda having a cut length of 25 mm and a width of 5 mm, and using the sheet, a thickness of 2.3 mm. A molded plate of 9) was obtained. The mechanical properties of this molded plate were as shown in Table 1.
  • Example 2 The resin-impregnated sheet material (width 20 mm) obtained in Example 1 was cut into lengths of 10 mm (Comparative Example 2), 40 mm (Example 2) and 50 mm (Comparative Example 3). Three types were prepared separately, and a shaped plate was formed in the same manner as in Example 1. Their mechanical properties are as shown in Table 1. It can be seen that when the length of the pre-predator is as short as 10 mm (comparative example 2, outside the scope of the present invention), the mechanical properties of the molded plate, in particular, the bending strength is low.
  • those having a long length of 50 mm have almost the same mechanical properties as those having a length of 40 mm (Example 2, within the scope of the present invention)
  • the CV value is 10 or more (10 or less in Example 2), and it can be seen that the variation of the physical property value is large, that is, the isotropy is inferior.
  • Example 4 In an experiment similar to Example 1, but with the basis weight of the PA6 film varied, the fiber volume content of the pre-preda was adjusted to be 15% (Comparative Example 4) and 45% (Example 3). A molded plate was molded in the same manner as in Example 1 using the obtained pre-preda. Their mechanical properties are as shown in Table 1. It can be seen that the mechanical volume is not sufficient when the fiber volume content is 15% (Comparative Example 4, outside the scope of the present invention).
  • Example 2 In the same experiment as in Example 1, however, the fabric weight of the sheet and the fabric weight of the PA6 film were changed to adjust the fiber volume content to be 30%, and the thickness of the pre-preda was 0.15 mm (comparative example). 5 and 0.10 mm (Example 4) and 0.50 mm (Example 5) were obtained. For example, the thickness is in the case of 0. 15 mm, it may be adjusted to basis weight of the sheet basis weight of 80gZm 2, PA6 film 57. 5 g / m 2. A molded plate was molded in the same manner as in Example 1 using the obtained pre-preda. Their mechanical properties are as shown in Table 1.
  • the bending strength is particularly greater than that of the sample having a thickness of 0.15 mm (comparative example 5, outside the scope of the present invention) and the thickness of 0.10 mm (example 4) or 0.05 mm (example 5). Is low.
  • the present comparative example is an example of producing a formed plate using a normal carbon fiber non-woven fabric instead of the chopped strand 'pre-preda. It was preheated to 260 to 280 ° C by a far-infrared heater using a carbon fiber reinforced stamper sheet in which carbon fiber HTA-12K (800 tex, 12,000 strands, Toho Tenax Co., Ltd.) non-woven fabric and PA6 are integrally laminated. Thereafter, heat and pressure treatment was carried out using a mold press method under conditions of 80 to 120 ° C. to obtain a molded plate of 3 mm in thickness.
  • the mechanical properties are as shown in Table 1.
  • the fiber volume content is the same as in Example 1 of the present invention.
  • the force mechanical properties are found to be superior to that of the present invention.
  • Example 1 In this comparative example, in place of the chopped strand 'pre-preda, the same chopped fiber of carbon fiber (length 6 mm) and PA6 resin pellet as in Example 1 are used for injection molding according to a conventional method and molded into a thickness of 3 mm. The board was manufactured. The mechanical properties of the obtained molded plate are as shown in Table 1. The fiber volume content is the same as that of Example 1 of the present invention, but it is understood that the mechanical physical property values are better in the present invention.
  • the fiber-reinforced thermoplastic resin sheet of the present invention and a molded plate obtained therefrom are excellent in physical properties such as strength and elastic modulus, and their physical properties are isotropic, so FRP molded articles of various shapes are obtained. It is suitable as a material for molding.

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Abstract

　熱可塑性樹脂と強化繊維とからなるチョップドストランド・プリプレグであって、このプリプレグの繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０～５０％であり、このプリプレグの繊維軸方向の長さが１５～４５ｍｍであり、このプリプレグの厚さが０．１３ｍｍ以下のものが、繊維配向がランダムになるように積層されており、この積層物が加熱・加圧してシート状に成形されていることを特徴とする等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シート及びそれから得られる成形板。強化繊維の体積含有率が比較的低いにもかかわらず、機械的物性とその均一性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂シートと成形板が得られる。

Description

明 細 書
等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シートとその製造方法並びに成形板 技術分野
[0001] 本発明は、繊維強化プラスチックに係るもので、詳しくは、熱可塑性榭脂と強化繊 維とからなるチョップドストランド ·プリプレダを用 、た、等方性の繊維強化熱可塑性榭 脂シートとその製造方法、並びにそのシートから得られる成形板に関する。
背景技術
[0002] 近年、炭素繊維、ガラス繊維、ァラミド繊維等の強化繊維材料は、各種のマトリック ス榭脂と複合化され、得られる繊維強化プラスチックは種々の分野'用途に広く利用 されるようになつてきた。そして、高度の機械的特性や耐熱性等を要求される航空- 宇宙分野や、一般産業分野では、従来、マトリックス榭脂として、不飽和ポリエステル 榭脂、エポキシ榭脂、ポリイミド榭脂等の熱硬化性榭脂が使用されてきた。しかし、特 に航空'宇宙分野では、これらのマトリックス榭脂は、脆ぐ耐衝撃性に劣るという欠点 を有するため、その改善が求められてきた。また、熱硬化性榭脂の場合、これをプリ プレダとしたとき、榭脂のライフタイムが短 、ためにプリプレダの保存管理上に問題が あること、製品形状に対して追従性が乏しいこと、成形時間が長く生産性が低いこと 等の問題もあった。これに対して、熱可塑性榭脂プリプレダの場合は、複合材料とし たときの耐衝撃性が優れ、プリプレダの保存管理が容易で、かつ成形時間が短ぐ成 形コスト低減の可能性もある。
[0003] 熱可塑性榭脂をマトリックスとした繊維強化熱可塑性榭脂プリプレダには、強化繊 維の形態及びその配向性の面力も次の様なものが存在する。 (1)強化繊維として連 続繊維を使用し、一方向配列繊維シートあるいは織編物を作成し、これと熱可塑性 榭脂とからプリプレダを作成したもの。かかるプリプレダは、繊維の体積含有率を高く することができる利点があり、繊維軸方向では弾性率、強度に優れた特性を有する。 しかし、一つのプリプレダをとると面内異方性であり、成形品の成形に際しては、機械 的物性の等方性を確保するために繊維軸方向、それと直角方向、斜め方向と何枚も のプリプレダを積層しなければならない。このことは、必然的にコスト高を招き、また、 成形品が厚くなるという問題がある。また、（2)強化繊維として非連続繊維を使用する がある。これは、熱可塑性榭脂をマトリックスとした一方向配列ストランド (繊維束)を、 例えば、 25mmから 50mm程度の繊維長に切断した小片のプリプレダである。かかる プリプレダは、成形時の流動性、例えば、スタンビング成形時の流動性が良好であり 、色々な複雑な形状の成形品を成形するのに適している。し力しながら成形時に、強 化繊維を榭脂により流動化させる機構が必須であるため、強化繊維の体積含有率を 高くすることができないという問題がある。また、強化繊維の体積含有率が低いこと、 強化繊維の長さが短いために弾性率、強度などの物性は、連続繊維を使用したもの に比べて劣るという問題点があった。
[0004] 特開平 9— 155862号公報 (特許文献 1)には、強化繊維の重量含有率が高ぐ分 散性が良好で、強度、弾性率が面内疑似等方性であり、かつ後加工時の強化繊維 の流動性も良好な繊維強化熱可塑性榭脂シートを提供するために、次の 3つの条件 、即ち、（1)強化繊維の重量含有率が 50%から 85%であり、熱可塑性榭脂の重量 含有率が 15%から 50%であること、 (2)強化繊維の平均繊維長が 5mn！〜 50mmで あること、（3)強化繊維が無方向に分散されていること、が満足される必要があること が述べられている。しかし、特許文献 1は、強化繊維として特にガラス繊維を用い、ガ ラス繊維の重量含有率を高くすることを目的としており、強化繊維の体積含有率は低 くても、機械的物性に優れたものを提案するものではな 、。
特許文献 1：特開平 9— 155862号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 本発明の目的は、熱可塑性榭脂と強化繊維とからなるチョップドストランド'プリプレ グを用いて、強化繊維の体積含有率は比較的低いにも力かわらず、機械的物性とそ の均一性に優れた繊維強化熱可塑性榭脂シートを提供することにある。そして、また 、カゝかる繊維強化熱可塑性榭脂シートを用いた等方性の成形板を提供することにあ る。
課題を解決するための手段 [0006] 本発明の請求項 1記載の発明は、熱可塑性榭脂と強化繊維とからなるチョップドス トランド'プリプレダであって、該プリプレダの繊維体積含有率 (Vf)が 20〜50%であ り、該プリプレダの繊維軸方向の長さが 15〜45mmであり、該プリプレダの厚さが 0. 13mm以下のもの力 繊維配向がランダムになるように積層されており、該積層物が 加熱'加圧されてシート状に成形されていることを特徴とする等方性の繊維強化熱可 塑性榭脂シートである。
[0007] 本発明の他の態様である請求項 3記載の発明は、請求項 1記載の繊維強化熱可塑 性榭脂シートが 1枚乃至複数枚積層され一体に成形された成形板であって、その理 論積層数が下記式を満足する成形板である。
理論積層数 = (成形板の厚さ） / (一つのプリプレダの厚さ）≥ 10
[0008] 本発明の更に他の態様である請求項 5記載の発明は、熱可塑性榭脂と強化繊維と 力もなるチョップドストランド ·プリプレダであって、該プリプレダの繊維体積含有率 (Vf )が 20〜50%であり、該プリプレダの繊維軸方向の長さが 15〜45mmであり、該プリ プレダの厚さが 0. 13mm以下のものを、繊維配向がランダムになるように積層し、次 いで該積層物を加熱'加圧することを特徴とする等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シ ートの製造方法である。
発明の効果
[0009] 本発明の繊維強化熱可塑性榭脂シート及びそれから得られる成形板は、従来の繊 維強化熱可塑性榭脂シートや成形板と比較して、強化繊維の繊維体積含有率は低 いにもかかわらず、面内に強化繊維がランダムに分散されているため、強度、弾性率 等の物性に優れ、し力もそれらの物性が等方性である。なお、本発明において等方 性とは、強度や弾性率等の機械的物性が、方向によって余り異ならず、ほぼ均一で あることを意味する。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 本発明の繊維強化熱可塑性榭脂シートは、熱可塑性榭脂と強化繊維とからなるチ ョップドストランド'プリプレダを用いるものである力 チョップドストランド'プリプレダと は、熱可塑性榭脂をマトリックスとした一方向配列ストランド (繊維束)を、例えば、 25 mmから 50mm程度の繊維長に切断した小片のプリプレダである。熱可塑性榭脂とし ては、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリ エーテルエーテルケトン、芳香族又は脂肪族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族 ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンォキシド、熱可塑性ポリイミド、ポ リアミドイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、 アクリロニトリルブタジエンスチレンなる群力 選ばれた 1種若しくは 2種以上の榭脂等 が挙げられる。また、用途によっては、一部熱硬化性榭脂と混合して用いることもでき る。中でも、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたポリアミド、ポリプロピレン、ポリカー ボネートやアクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)榭脂が、特に好ましい。これらの 熱可塑性榭脂には、通常用いられる着色剤や各種添加剤等が含まれて ヽてもよ ヽ。
[0011] 本発明のプリプレダは、繊維体積含有率 (Vf)が 20〜50%、好ましくは 20〜45% 、従って、熱可塑性榭脂の体積含有率が 80〜50%、好ましくは 80〜55%であり、通 常のプリプレダよりも繊維の割合が少なめである。従って、強化繊維が高価なもので ある場合には、コスト的に有利である。繊維体積含有率 (Vf)が 50%を超えると、機械 的物性値は高くなるもののボイド等の発生も多くなり、得られた繊維強化熱可塑性榭 脂シートが均一な物性を有しない場合があるので好ましくない。また、プリプレダの繊 維軸方向の長さが 15〜45mm、そして該プリプレダの厚さが 0. 13mm以下、好まし くは 0. 1mm以下のものである必要がある。プリプレダの繊維軸方向の長さが 45mm を超えると、あるいは、プリプレダの厚さが 0. 13mmを超えると、得られた繊維強化熱 可塑性榭脂シートの等方性が失われ易ぐまた高物性が得られなくなるので好ましく ない。従って、本発明においては、体積含有率、繊維長、厚さが前記条件を満足しな Vヽと、十分な機械的物性を有し且つ等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シートが得ら れない。
[0012] 本発明において用いられる強化繊維としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維ま たはそれらの混合カゝらなる繊維である。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、ガラス繊維な どが挙げられる。有機繊維としては、ァラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他 一般のナイロン、ポリエステル等の有機繊維が挙げられる。金属繊維としては、ステン レス、鉄等の繊維が使用可能であり、また金属を被覆した炭素繊維等もある。特に好 ましいのは、炭素繊維である。炭素繊維の場合、 800〜1600tex、 12K〜24Kフイラ メントのストランドが好まし 、。
[0013] 本発明のチョップドストランド'プリプレダは、強化繊維のストランド (繊維束)を、厚さ が 0. 13mm以下になるように引き揃え、次いで引き揃えた繊維束に熱可塑性榭脂を 繊維体積含有率 (Vf)が 20〜50%の範囲になるように付与し、形成された繊維強化 熱可塑性榭脂シートを長手方向に対し、所望の幅、好ましくは 10〜30mmで、繊維 軸方向の長さが 15〜45mmの範囲になるように裁断すること〖こよって得られる。強化 繊維のストランドは、無撚のものでも、あるいは有撚のものでもかまわないが、引き揃 えに際しては、ストランドをできるだけ開繊させるのが好ましい。熱可塑性榭脂の付与 方法は、特に限定されるものではない。例えば、直接溶融した熱可塑性榭脂を強化 繊維のストランドに含浸する方法、フィルム状の熱可塑性榭脂を溶融して強化繊維の ストランドに含浸させる方法、粉体状の熱可塑性榭脂を溶融して強化繊維のストラン ド含浸させる方法などがある。榭脂を含浸した強化繊維のストランドの裁断の方法は 特に限定されないが、ペレタイザ一、ギロチン方式、コダック方式等のカッターが利用 できる。
[0014] 次に、得られたチョップドストランド'プリプレダは、繊維配向がランダムになるように 均一に堆積'積層される。チョップドストランド'プリプレダを、ランダムに均一に堆積' 積層させる方法としては、例えば、連続的に生産する場合は、裁断して得られたプリ プレダを直接高 、位置から自然落下させ、スチールベルト等のベルトコンベア一上に 堆積させる方法や、落下経路にエアーを吹き込む力 若しくは、邪魔板を取り付ける 方法などが考えられる。バッチ式の製造の場合は、裁断したプリプレダを容器に蓄積 しておき、この容器の下面に搬送装置を取り付け、シート製造のための金型等へ分 散させる方法などが考えられる。
[0015] 次いでこの積層物を、例えば、スチールベルトごと熱ロール間に通すことによって加 熱'加圧して、あるいは間欠プレスすることによって、熱可塑性榭脂が溶融し強化繊 維と一体化し、等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シートが得られる。一体化する方法 としては、その他にも、例えば、ベルトプレスにより加熱冷却を連続して行う方法、遠 赤外線ヒータによって予熱した後、コールドプレスする方法、あるいは加熱冷却プレ スを用いるノツチ方式などが考えられる。特に好ましいのは、チョップドストランド'プリ プレダを、繊維配向がランダムになるようにスチールベルト上に積層し、次いで該積 層物を、ダブルベルトプレス、間欠ホットプレス又は熱ロールを用いて 150〜400°C で 0. 1〜 1 OMPaで加熱 ·加圧処理する方法である。
[0016] 上記のごとくして得られた繊維強化熱可塑性榭脂シートは、色々な FRP成形品を 製造するための中間素材として用いることができる。特に、本発明の繊維強化熱可塑 性榭脂シートを、 1枚乃至複数枚積層して一体に成形して得られた成形板は、強度、 弾性率等の物性が方向によらず均一なものであるが、特に、その理論積層数が、理 論積層数 = (成形板の厚さ） Z (—つのプリプレダの厚さ）≥ io、好ましくは理論積層 数≥ 15を満足する成形板は利用価値が高いものである。力かる成形板の製法は特 に限定されるものではなぐ前記繊維強化熱可塑性榭脂シートを 1枚あるいは複数枚 積層し、金型プレス法、オートクレープ法、加熱，冷間プレス法等で成形して成形板と することができる。この際、成形板中の繊維体積含有率 (Vf)あるいは榭脂含量を調 整するために、必要に応じて、熱可塑性榭脂を追加積層することもできる。成形板中 の熱可塑性榭脂の含有率は、通常、 20〜90重量％、好ましくは 30〜80重量％が 適当である。
[0017] 前記のごとくして得られた成形板の中でも、 JIS K 7017に従って測定した場合の 曲げ強度と曲げ弾性率の CV値が 10以下のものが特に好ましい。 CV値とは、相対 的な散らばりを表す指標 (変動係数)であり、（標準偏差 Z測定値の平均値） X 100 (
%)で表される値であり、この値が小さ!/、ほど測定の精密度が高 、ことを示して！/、る。 実施例
[0018] 以下、実施例により本発明を詳述する。繊維体積含有率の測定は、 JIS K 7075 の方法に準じて行った。曲げ強度と曲げ弾性率の測定は、 JIS K 7017に従って 行った。物性保持率（％)は、（80°C物性値 Z室温物性値） X 100で表した値である
[0019] [実施例 1]
炭素繊維11丁八ー
Figure imgf000007_0001
12, 000本のストランド、東邦テナックス社製）か らなる長繊維を一方向に配向した目付 40gZm2の炭素繊維ストランドのシート状物 の両面に、 PA6フィルム（ナイロン 6、ュ-チカ社製、 目付 28. 75gZm2)を配置し、 シート状物をフィルムで挟んだサンドイッチ状の積層体を得た。この積層体を 230〜2 60°Cに加熱して、 PA6フィルムをシート状物に溶融含浸させた。得られた榭脂含浸 シート状物の厚さは 0. 07-0. 08mmであった。繊維体積含有率は 30%であった。
[0020] 上記で得られた榭脂含浸シート状物を、幅 20mm (1ストランド分）にスリットした後、 ギロチン方式の裁断機を用いて、長さ 25mmに裁断しながら、得られたチョップドスト ランド'プリプレダを、スチールベルトのベルトコンベア一上に落下 '堆積させた。プリ プレダは繊維配向がランダムになるようにスチールベルト上に積層した。そして、引き 続き、積層物を、熱ロールを用いて 230〜260°Cで 0. 5〜1. 5MPaで加熱'加圧処 理し、本発明の繊維強化熱可塑性榭脂シートを得た。得られたシートは、機械的物 性が実質的に等方性のものであった。
[0021] 上記で得られた等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シートを、遠赤外線ヒータによつ て 260〜280°C【こ予熱した後、金型プレス法を用!ヽて 80〜120°Cで 40〜50MPaの 条件で加熱'加圧処理し、板厚 2. 3mm (理論積層数 28)の本発明の成形板を得た 。この成形板の機械的物性は表 1に示した通りであった。
[0022] [比較例 1]
炭素繊維 HTA— 6K(400tex、 6, 000本のストランド、東邦テナックス社製）からな る長繊維を一方向に配向した目付 80gZm2の炭素繊維ストランドのシート状物の両 面に、 PA6フィルム（ナイロン 6、ュ-チカ社製、 目付 28. 75g/m2)を配置し、シート 状物をフィルムで挟んだサンドイッチ状の積層体を得た。この積層体を、 260°Cにカロ 熱して、 PA6フィルムをシート状物に溶融含浸させた。得られた榭脂含浸シート状物 は、幅が約 5mmで、厚さは 0. 26mmであった（繊維体積含有率は 50%)。その後は 実施例 1の場合と同様に処理して、カット長 25mm、幅 5mmのストランドプリプレダを 用いて繊維強化熱可塑性榭脂シートを作成し、そのシートを用いて厚さ 2. 3mm (理 論積層数 9)の成形板を得た。この成形板の機械的物性は表 1に示した通りであった
[0023] 実施例 1 (Vf = 30%)と比較例 1 (Vf= 50%)を比較すると、実施例 1は熱可塑性 榭脂の量が多いので熱の影響を受けやすいと予想されたが、比較例 1と比べて物性 保持率は同等かむしろ僅かながら良好であることがわかる。なお、表 1に示したとおり 、比較例 1の場合、 Vf= 30%に相当するものの物性値は、室温で、曲げ弾性率が 2 3GPaで、曲げ強度が 319MPaであった。
[0024] [実施例 2及び比較例 2〜3]
実施例 1で得られた榭脂含浸シート状物（幅 20mm)を、裁断する長さを 10mm (比 較例 2)、 40mm (実施例 2)、 50mm (比較例 3)と変えたものを 3種類別々に準備し、 それぞれ実施例 1の場合と同様に成形板を成形した。それらの機械的物性は表 1〖こ 示した通りであった。プリプレダの長さが 10mm (比較例 2、本発明の範囲外）と短い ものは、成形板の機械的物性、特に、曲げ強度が低いことがわかる。また、長さが 50 mm (比較例 3、本発明の範囲外）と長いものは、長さが 40mm (実施例 2、本発明の 範囲内）のものと機械的物性自体は殆どかわらな 、が、 CV値が 10以上（実施例 2は 10以下)であり、物性値のバラツキが大きい、即ち等方性に劣ることがわかる。
[0025] [実施例 3及び比較例 4]
実施例 1と同様な実験において、但し、 PA6フィルムの目付を変えて、プリプレダの 繊維体積含有率が 15% (比較例 4)と 45% (実施例 3)になるように調節した。得られ たプリプレダを用いて、それぞれ実施例 1と同様に成形板を成形した。それらの機械 的物性は表 1に示した通りであった。維体積含有率が 15% (比較例 4、本発明の範 囲外)のものは、機械的物性が十分ではないことがわかる。
[0026] [実施例 4〜5及び比較例 5]
実施例 1と同様な実験において、但し、シート状物の目付と PA6フィルムの目付を 変えて、繊維体積含有率が 30%になるように調節し、プリプレダの厚さが 0. 15mm( 比較例 5)と 0. 10mm (実施例 4)と 0. 05mm (実施例 5)のものを得た。例えば、厚さ が 0. 15mmの場合は、シート状物の目付を 80gZm2、 PA6フィルムの目付を 57. 5 g/m2に調節すれば良い。得られたプリプレダを用いて、それぞれ実施例 1と同様に 成形板を成形した。それらの機械的物性は表 1に示した通りであった。厚さが 0. 15 mmのものは（比較例 5、本発明の範囲外）、厚さが 0. 10mm (実施例 4)や 0. 05m m (実施例 5)のものより、特に曲げ強度が低いことがわかる。
[0027] [比較例 6] 本比較例は、チョップドストランド'プリプレダの代わりに、通常の炭素繊維不織布を 用いて成形板を製造した例である。炭素繊維 HTA— 12K (800tex、 12, 000本の ストランド、東邦テナックス社製)の不織布と PA6を一体ィ匕した炭素繊維強化スタンパ ブルシートを用いて、遠赤外線ヒータによって 260〜280°Cに予熱した後、金型プレ ス法を用いて 80〜 120°Cでの条件で加熱 ·加圧処理し、厚さ 3mmの成形板を得た。 その機械的物性は表 1に示した通りであった。繊維体積含有率は、本発明の実施例 1のものと同じである力 機械的物性値は本発明のものの方が優れていることが分か る。
[0028] [比較例 7]
本比較例は、チョップドストランド'プリプレダの代わりに、実施例 1と同じ炭素繊維の チョップドファイバー (長さ 6mm)と PA6榭脂ペレットを用いて、常法に従って射出成 形で、厚さ 3mmの成形板を製造した。得られた成形板の機械的物性は表 1に示した 通りであった。繊維体積含有率は、本発明の実施例 1のものと同じであるが、機械的 物性値は本発明のものの方が優れていることが分かる。
[0029] [表 1]
プリプレグの特徴 成形板の機械的物性
繊維体積 曲げ弾性率 曲げ強度 長さ
含有率
(mm) (mm) 測定条件 GPa M Pa
( %) (CV値0/。）
24(4) 457(6)
80°C 21 291 実施例 1 25 0.07~0.08 30
物性保持率
85 64
(%)
38 532
80°C 32 321
50
比較例 1 0.26
25 物性保持率
85 60
(%)
30 室 23 319 実施例 2 40 0.07 30 22(9) 437(6) 比較例 2 10 0.07 30 室' 20(5) 358(4) 比較例 3 50 0.07 30 室 23(13) 442(11 ) 比較例 4 25 0.07 15 12 228 実施例 3 25 0.07 45 室' 36 685 実施例 4 25 0.10 30 24 440 実施例 5 25 0.05 30 24 465 比較例 5 25 0.15 30 室' 22 400 比較例 6 ― ― 30 17 341 比較例 7 一 ― 30 21 331 産業上の利用可能性
本発明の繊維強化熱可塑性榭脂シート及びそれから得られる成形板は、強度、弾 性率等の物性に優れ、し力もそれらの物性が等方性であるため、色々な形状の FRP 成形品を成形するための材料として適して 、る。

Claims

請求の範囲
[1] 熱可塑性榭脂と強化繊維とからなるチョップドストランド'プリプレダであって、該プリ プレダの繊維体積含有率 (Vf)が 20〜50%であり、該プリプレダの繊維軸方向の長 さが 15〜45mmであり、該プリプレダの厚さが 0. 13mm以下のもの力 繊維配向が ランダムになるように積層されており、該積層物が加熱'加圧されてシート状に成形さ れていることを特徴とする等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シート。
[2] 強化繊維が炭素繊維である請求項 1記載の等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シ一
[3] 請求項 1記載の繊維強化熱可塑性榭脂シートが 1枚乃至複数枚積層され一体に 成形された成形板であって、その理論積層数が下記式を満足する成形板。
理論積層数 = (成形板の厚さ） / (一つのプリプレダの厚さ）≥ 10
[4] JIS K 7017に従って測定した曲げ強度と曲げ弾性率の CV値が 10以下である 請求項 3記載の成形板。
[5] 熱可塑性榭脂と強化繊維とからなるチョップドストランド'プリプレダであって、該プリ プレダの繊維体積含有率 (Vf)が 20〜50%であり、該プリプレダの繊維軸方向の長 さが 15〜45mmであり、且つ該プリプレダの厚さが 0. 13mm以下のものを、繊維配 向がランダムになるように積層し、次いで該積層物を加熱'加圧することを特徴とする 等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シートの製造方法。
[6] チョップドストランド'プリプレダを、繊維配向がランダムになるようにスチールベルト 上に積層し、次いで該積層物を、ダブルベルトプレス、間欠ホットプレス又は熱ロー ルを用いて 150〜400°Cで 0. 1〜： LOMPaで加熱'加圧処理することからなる、請求 項 5記載の等方性の繊維強化熱可塑性榭脂シートの製造方法。
PCT/JP2006/315999 2005-08-18 2006-08-14 等方性の繊維強化熱可塑性樹脂シートとその製造方法並びに成形板 WO2007020910A1 (ja)

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