WO2008038429A1 - Fiber-reinforced plastic and process for production thereof - Google Patents

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WO2008038429A1
WO2008038429A1 PCT/JP2007/058393 JP2007058393W WO2008038429A1 WO 2008038429 A1 WO2008038429 A1 WO 2008038429A1 JP 2007058393 W JP2007058393 W JP 2007058393W WO 2008038429 A1 WO2008038429 A1 WO 2008038429A1
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fiber
plate
reinforcing
reinforced plastic
reinforcing fibers
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PCT/JP2007/058393
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Masahiro Yamanouchi
Ichiro Taketa
Eisuke Wadahara
Akihiko Kitano
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Toray Industries, Inc.
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Definitions

  • Fiber-reinforced plastic and method for producing the same are Fiber-reinforced plastic and method for producing the same
  • the present invention is a plate-like body having a plate-like portion and a protruding portion raised from at least one surface of the plate-like portion, and the plate-like portion and the protruding portion include a plurality of reinforcing fibers and the plurality of reinforcing fibers.
  • the present invention relates to a fiber reinforced plastic formed with a matrix resin integrated with a reinforced fiber and a manufacturing method thereof.
  • a typical example of the plate-like body having the protrusions is a plate-like body having ribs or bosses.
  • This plate-like body is widely used as a structural member.
  • Examples of this structural member include structural members in transportation equipment such as automobiles and sports equipment such as bicycles. Background art
  • Fiber-reinforced plastics composed of reinforced fibers and matrix resin have excellent mechanical properties such as high specific strength and specific elastic modulus, high functional properties such as weather resistance and chemical resistance.
  • the application is also attracting attention, and its demand is increasing year by year.
  • ribs are also effective to prevent the molded product from being widened and warping of the flat portion.
  • positioning projections are often used for fittings used for recesses called bosses and for joining molded products.
  • fiber reinforced plastics having particularly high functional properties are laminated in a semi-hardened state in which a matrix fiber is impregnated into a reinforcing fiber called a pre-preda, and the temperature is increased.
  • Autoclave molding force is most common in which the matrix resin is cured by heating and pressurizing in a high-pressure kettle (autoclave) to form fiber-reinforced plastic.
  • RTM Resin Transfer Mold
  • Ding is also performed.
  • the form of the reinforcing fiber used in these molding methods is generally a continuous fiber that can easily obtain high mechanical properties.
  • protrusions such as ribs and bosses on a fiber-reinforced plastic molded article made of continuous fibers
  • a protrusion that is also pre-formed on a plate-like part that is previously formed by autoclave molding or the like There are a method of joining the two using an adhesive or the like, or insert injection molding in which a projection is formed on a plate-like part that has been previously molded by autoclave molding or the like.
  • Other means include a method in which the fibrous base material is shaped in advance in the shape of the protrusion and then formed by RTM molding.
  • the shaping of the fibrous base material takes time and labor. Compared to one-clave molding, there were problems such as excellent productivity but not good productivity, and simple shape protrusions and force molding.
  • the matrix resin is a thermosetting resin
  • injection molding is used if it is a thermoplastic resin, such as press molding with SMC (Sheet Molding Compound) or BMC (Balta Molding Compound). Is possible.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing a molded product having ribs based on press molding. In the manufacturing method, the fiber is cut at the rib portion so that the cut end portion of the fiber is poured to the tip of the rib at the time of molding to fill the rib with the fiber.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 63-087206
  • An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced plastic having protrusions with excellent mechanical properties, which has improved the problems of the prior art, and a method for producing the same.
  • a plate-like body force having a plate-like portion and a surface force of at least one side of the plate-like portion, and the plate-like portion and the protruding portion include a plurality of reinforcing fibers and the plurality of the reinforcing fibers.
  • fiber reinforced plastics made of matrix resin combined with reinforced fibers are examples of fiber reinforced plastics made of matrix resin combined with reinforced fibers.
  • the plurality of reinforcing fibers in the plate-like portion and the protruding portion are composed of at least two reinforcing fiber layers having different arrangement directions of the plurality of reinforcing fibers in each,
  • Each fiber length of the multiple reinforcing fibers in each reinforcing fiber layer is 1 0 to 100mm
  • a fiber reinforced plastic in which at least one reinforcing fiber layer of the at least two reinforcing fiber layers in the protruding portion has a shape along the shape of the protruding portion.
  • the plate-like portion includes a reinforcing fiber base layer integrated on a surface opposite to the surface on which the protrusion is located, and the reinforcing fiber in the reinforcing fiber base layer
  • a reinforcing fiber base layer integrated on a surface opposite to the surface on which the protrusion is located
  • the reinforcing fiber in the reinforcing fiber base layer it is also preferable to have many continuous reinforcing fiber strengths.
  • the thickness of the protruding portion is 0.1 to 4 times the thickness of the plate-like portion.
  • the height of the protruding portion is 0.2 to 50 times the thickness of the plate-like portion.
  • a cross-sectional shape of the protrusion is a square or a circle.
  • the matrix resin is a thermosetting resin.
  • the reinforcing fiber is preferably a carbon fiber.
  • a method for producing the fiber-reinforced plastic of the present invention that achieves such an object is as follows.
  • a plate-like body force having a plate-like portion and a surface force on at least one side of the plate-like portion, and the plate-like portion and the protruding portion have a large number of reinforcing fibers and a large number of the reinforcing members.
  • a reinforcing fiber sheet in which a large number of reinforcing fibers each having a fiber length of 10 to 1 OO mm are sequentially arranged in one direction and the entire reinforcing fiber sheet or partially impregnated in an uncured state.
  • a laminate preparation step for preparing a pre-preda laminate in which at least two pre-preder substrates made of matrix resin are laminated in a state in which the reinforcing fibers are arranged in different directions; and (b) Molding for molding the plate-like body comprising one mold having a recess for forming the protruding portion and the other mold for forming the plate-like portion between the mold and the mold.
  • a molding device preparation process for preparing the device;
  • a method for producing a fiber reinforced plastic comprising a plate-like body demolding step of taking out the plate-like body formed in the plate-like body forming step from the mold.
  • the pre-preder laminate includes a reinforcing fiber base layer integrated on a surface opposite to a surface on which the protrusions are formed, and the The reinforcing fiber in the reinforcing fiber base layer is preferably composed of a large number of continuous reinforcing fibers.
  • the matrix resin is preferably a thermosetting resin.
  • the plate-like body forming step and the plate-like body demolding step are performed while the temperature of the mold is kept constant. Good.
  • thermosetting resin in the plate-like body forming step has a viscosity power of 0.1 to lOOPa's.
  • the temperature T of the mold in the plate body forming step and the exothermic peak temperature Tp of the thermosetting resin are Tp—60 ⁇ T ⁇
  • the fiber pre-strength of 10 to 100 mm in one direction with respect to the pre-preder laminate prepared in the laminate preparation step is created at least between the pre-preda base materials located adjacent to each other, and is created by sequentially making cuts in the array of the reinforcing fibers at intervals of this length. And one or both of the directions are preferably different.
  • the fiber-reinforced plastic of the present invention includes discontinuous reinforcing fibers in each layer force constituting the laminated structure of the plate-like portion and the protruding portion, and at least a part of the reinforcing fibers is protruded from the plate-like portion. And at least one of the layers constituting the layered structure of the protrusions has a shape along the shape of the protrusions. With this structure, the protrusion in the fiber-reinforced plastic of the present invention has desired mechanical properties.
  • the fiber-reinforced plastic of the present invention can be used, for example, for structural members of transportation equipment (automobiles, aircrafts, ships, etc.), structural members of industrial machines, structural members of precision equipment, or sports equipment (bicycles, golf, etc.). It is preferably used as a structural member.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an example of a fiber reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view for explaining the state of the reinforcing fiber continuous with the plate-like portion force projections of the fiber-reinforced plastic of FIG.
  • FIG. 3A illustrates an example of a stacked state of layers composed of a matrix fiber and a reinforcing fiber sheet each having a large number of reinforcing fiber forces arranged in one direction in the fiber-reinforced plastic of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram.
  • FIG. 3B is another example of a layered state of layers made of a matrix fiber and a reinforcing fiber sheet each having a number of reinforcing fiber forces arranged in one direction in the fiber-reinforced plastic of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram explaining these.
  • FIG. 3C shows still another layered state of layers composed of a matrix fiber and a reinforcing fiber sheet having a number of reinforcing fiber forces arranged in one direction in the fiber-reinforced plastic of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram explaining an example.
  • FIG. 4A is a schematic vertical cross-sectional view illustrating a layer structure of a reinforcing fiber as an example of a protrusion in the fiber-reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 4B is a schematic vertical cross-sectional view illustrating a layered structure of reinforcing fibers of another example of the protrusions in the fiber-reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 4C is a schematic longitudinal sectional view illustrating a layer structure of reinforcing fibers of still another example of the protrusions in the fiber-reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view of an example of a conventional fiber reinforced plastic.
  • Fig. 6 is a schematic plan view of an example of a pre-predder base material composed of reinforced fibers arranged in one direction and matrix resin used in the production of the fiber-reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view of an example of a mold having a groove for forming a protrusion in a molding apparatus used for manufacturing the fiber-reinforced plastic of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of a mold for explaining an example of an arrangement state of the groove part having a groove part for forming a protrusion part in the molding apparatus used for producing the fiber reinforced plastic of the present invention.
  • Fig. 9 is a diagram illustrating another example of the arrangement state of the groove portion of the mold having the groove portion for forming the protrusion portion in the molding apparatus used for manufacturing the fiber reinforced plastic of the present invention. It is a schematic plan view.
  • FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view of another example of a conventional fiber reinforced plastic.
  • FIG. 11 is a schematic longitudinal sectional view of still another example of a conventional fiber-reinforced plastic.
  • the fiber-reinforced plastic of the present invention is composed of a plate-like body having a plate-like portion and a protruding portion raised from at least one surface of the plate-like portion, and the plate-like portion and the protruding portion are many. And (a) the plurality of reinforcing fibers in the plate-like portion and the protruding portion are each composed of a plurality of reinforcing fibers. (B) each of the plurality of reinforcing fibers in each of the reinforcing fiber layers has a fiber strength of 10 to 100 mm, and (c) each of the reinforcing fibers.
  • Reinforcing fiber force of at least a part of the layer is located continuously from the plate-like part to the protruding part, and (d) at least one reinforcing fiber of the at least two reinforcing fiber layers in the protruding part
  • the layer follows the shape of the protrusion. It has a shape.
  • the fiber reinforced plastic according to the present invention comprises a plate-like body 1.
  • the plate-like body 1 is formed from a plurality of reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, and 3h that coexist with the matrix resin. Each layer 3a, 3b, ... 3h is shown with the same hatching for each layer.
  • the plate-like body 1 has left and right plate-like portions la and lb and a protruding portion 2a.
  • the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, and 3d form skin layers of left and right plate-like portions la and lb, and the skin layers are raised to form protrusions 2a.
  • the reinforcing fiber layers 3e, 3f, 3g, and 3h form the base layer of the plate-like body 1.
  • each of the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h forming the plate-like body 1 is composed of a reinforcing fiber sheet in which a large number of reinforcing fibers are arranged in a certain direction.
  • the reinforcing fiber layers 3e, 3f, 3g, and 3h forming the base layer of the plate-like body 1 are also made of reinforcing fiber sheets in which a large number of reinforcing fibers are arranged in a certain direction.
  • At least some of the multiple reinforcing fibers in the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, and 3d forming the skin layer are located continuously from the plate-like portions la and lb to the protruding portions 2a. ing. Further, the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, 3d forming the skin layer have a shape along the shape of the protrusion 2a in the protrusion 2a.
  • the protrusion 2a in FIG. 1 shows a rib which is one mode thereof.
  • the fiber reinforced plastic composed of the plate-like body 1 can be improved in rigidity and weight by the presence of the rib 2a.
  • the rib 2 a reduces the warpage of the plate-like body 1 and improves the dimensional stability of the plate-like body 1.
  • the protrusion 2a is a boss which is one of the other aspects, the boss 2a can accurately position and fit a plurality of members or embed another part.
  • the protrusion 2a is usually provided on one side of the member (plate-like body 1) in many cases, but the protrusion 2a may be provided on both sides of the member as necessary.
  • the fiber length of the reinforcing fibers in each of the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c and 3d forming at least the skin layer is 10 to 100 mm.
  • the fiber length of the reinforcing fiber is shorter than 10 mm, the reinforcing effect of the plate-like body 1 with reinforcing fiber, in particular, the protrusion 2a The fruit becomes smaller and the mechanical properties of the plate-like body 1 become lower.
  • the fiber strength of the reinforcing fiber is longer than 00 mm, the reinforcing fiber is not sufficiently filled up to the tip of the protrusion 2a.
  • the reinforcing fibers in the reinforcing fiber layers 3e, 3f, 3g, and 3h forming the base layer of the plate-like body 1 may be continuous reinforcing fibers or discontinuous reinforcing fibers, for example, fiber lengths.
  • the reinforcing fiber force of 10 to 100 mm may be discontinuous reinforcing fibers arranged in the longitudinal direction.
  • the reinforcing fibers in at least some of the reinforcing fiber layers are continuous reinforcing fibers. It is preferable. When it is desired to develop higher mechanical properties, it is more preferable that all the reinforcing fibers in the reinforcing fiber layer forming the base layer are composed of continuous reinforcing fibers.
  • the fiber length of at least a part of the reinforcing fiber forming the base layer is 10 to 100 mm. Yes.
  • the fiber strength of the reinforcing fibers in all of the reinforcing fiber layers forming the base layer is within this range, so that the certainty of filling the reinforcing fibers into the protrusions 2a can be maximized.
  • the reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, and 3d forming the skin layer form the plate-like portions la and lb and the protruding portions 2a. That is, the skin layer and the protrusion 2a in the plate-like portions la and lb are formed of the same reinforcing fiber layers 3a, 3b, 3c, and 3d. If the laminated structure of the reinforcing fiber between the skin layers of the plate-like parts la and lb and the protrusions 2a is different, residual stress is likely to occur at the boundary between the two due to differences in thermal shrinkage and linear expansion coefficient. As a result, there is a risk of causing cracks and warping as a fiber-reinforced plastic.
  • the reinforcing fiber of each layer constituting the laminated structure is continuous from the plate-like portions la and lb to the protruding portion 2a.
  • a strong integrated structure is formed between the protruding portion 2a and the plate-like portions 1a and lb, and functions as protruding portions such as ribs and bosses are sufficiently exhibited. If the reinforcing fiber forming the laminated structure of the protruding portion 2a is continuous with the reinforcing fiber forming the laminated structure of the plate-like portions la and lb, the strength of the root portion of the protruding portion 2a is reduced, and breakage occurs at the root portion. Or peeling easily occurs.
  • Fig. 2 shows a state in which the reinforcing fibers are continuous from the plate-like portions la and lb to the protruding portion 2b. It is.
  • the reinforcing fiber 4 is continuous from the plate-like portion la, lb to the protruding portion 2b. As shown in FIG. 2, the reinforcing fiber 4 is continuous from the plate-like portion la to the protruding portion 2a. The state that exists.
  • the laminated structure of the reinforcing fiber layer of the present invention will be described with reference to the embodiment shown in FIG. 1.
  • a layer in which the reinforcing fibers are oriented in a certain direction for example, Layer 3a
  • a layer in which the reinforcing fibers are oriented in different directions for example, layer 3b
  • '3h has a structure in which the plate-like body 1 is stacked in order in the thickness direction.
  • FIGS. 3A, 3B, and 3C Examples of this stacked structure are shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C.
  • the continuity of the reinforcing fibers is interrupted and discontinuous, as in layers 5b and 5d consisting of a large number of reinforcing fibers and matrix resin arranged in a certain direction (horizontal direction in the figure).
  • the reinforcing fibers are arranged in different directions (in the drawing, the direction perpendicular to the paper surface) in the adjacent layers 5a and 5c.
  • the reinforcing fibers in each layer are divided at a fiber length of 10 to 100 mm in the longitudinal direction, but the reinforcing fibers are continuously supported in the longitudinal direction by adjacent layers.
  • the reinforcing fiber existing in the layer is divided in the longitudinal direction, and each segment of the force reinforcing fiber exists in the same layer.
  • the segments of the reinforcing fibers in such an array state are collectively referred to as a reinforcing fiber layer.
  • At least one of the layers 3a, 3b, 3c, 3d forming the protrusion 2a has a shape along the shape of the protrusion 2b.
  • the shape of the layer along the shape of the protrusion 2b means that the layer, for example, the layer 3a, has the orientation of each surface 2aSl, 2aS 2, 2aS3 (see FIG. 1) constituting the protrusion 2b. A state with the same orientation.
  • FIGS. 4A, 4B, and 4C Examples of such layer formation states are shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • Figure 4A In the vertical section of the protrusion 4A2a shown, the protrusion 4A2a has three flat surfaces 7a, 7b, and 7c on the left and right side surfaces and the top surface.
  • the protrusion 4B2a In the vertical section of the protrusion 4B2a shown in FIG.4B, the protrusion 4B2a has five flat surfaces 7d, 7e, 7f, 7g, on the left and right side surfaces, the top surface, the right side surface of the top portion, and the top surface of the step portion.
  • the protrusion 4C2a In the longitudinal section of the protrusion 4C2a shown in FIG. 4C, the protrusion 4C2a has planes 7i and 7k and a curved surface 7j on the left and right side surfaces and the semicircular top surface.
  • the layers 8a, 8b, 8c, 8d, and 8e that form the protrusion 4A2a are positioned in the direction along each of the surfaces.
  • the layers 8f, 8g, 8h, 8i, and 8j forming the protrusion 4B2a are positioned in the direction along each of the surfaces.
  • the layers 8k, 81, 8m, 8n, and 8o forming the protrusion 4C2a are positioned in the direction along each of the surfaces.
  • the shape along the shape of the protrusion means that the central surface force of the layer corresponding to the surface constituting the protrusion is substantially parallel to the surface.
  • the term nearly parallel is used because the central plane of the layer is considered to be rare if it is a strict plane, so the parallel concept needs to be wide.
  • the case where the center plane of the layer corresponding to the surface constituting the protrusion is within the thickness of the layer is said to be substantially parallel.
  • FIG. 5 shows a conventional plate-like body (fiber reinforced plastic) 5.
  • the plate-like body 5 includes plate-like portions 51a and 51b and a protruding portion 52a.
  • the protrusion 52a has a laminated structure 53a, 53b, 53c, 53d, 53e, 53f, 53g, 53h of reinforcing fibers, and the protrusion 52a has a laminated structure 53a, 53b, 53c, 53d of strong fiber.
  • the reinforcing fibers of the protrusions 52a are continuous with the reinforcing fibers of the plate-like parts 51a and 51b.
  • the force of the layers 53a, 53b, 53c, 53d is not the shape of the protrusion 52a at the leading end of the protrusion 52a. That is, in the plate-like body 5, the layer in the protrusion 52a does not have a shape similar to the shape of the protrusion 52a. In this case, when a force is applied to the protrusion 52a, the tip of the protrusion 52a becomes a starting point of destruction, causing a decrease in physical properties of the plate-like body 5.
  • the plate-like portion is a plate-like portion having a surface such as a primary curved surface, a quadratic curved surface, or a spherical surface having a curvature of 1Z 100 or less including a plane. say.
  • a pre-predder is a semi-predder.
  • a method of forming a protrusion by pressurizing a laminate of an intermediate substrate in a double-sided mold having a recess for forming a protrusion on at least one mold.
  • the mechanism by which the protrusions are formed by this method is not clear, but is considered as follows.
  • each layer of the laminated body is kept in a laminated state. Also, it tries to flow in the direction of the laminated surface (in-plane direction).
  • in-plane direction the direction of the laminated surface
  • the laminate remains in the laminated state, that is, the concave space, that is, the original laminated surface
  • the direction perpendicular to the direction or a direction with an angle (out-of-plane direction) also flows and enters the space.
  • the formed plate-like body (fiber reinforced plastic) has a fiber length of 10 to 100 mm depending on the fiber length of the reinforcing fiber of the raw material. Will contain fibers.
  • the protrusions When there are a plurality of reinforcing fiber layers having different orientation directions of the reinforcing fibers, the protrusions have excellent dimensional stability. When the orientation direction of the reinforcing fiber is only in one direction, the protrusion is liable to be warped due to anisotropy of the thermal contraction rate or linear expansion coefficient, resulting in poor dimensional accuracy. Furthermore, when the protrusion is a rib, if a force in two directions is applied to the rib, or if a twisting force is applied, or if the orientation direction of the reinforcing fiber is only one direction, the force Depending on the direction of action, the strength and rigidity of the rib will be insufficient.
  • multiple reinforced fiber layers have isotropic products such as [0/90], [0Z ⁇ 60] and [+ 45/0 / -45 / 90] nS nS nS
  • the layer has a symmetrical laminated structure in consideration of the reduction in warpage of the plate-like body (fiber reinforced plastic) itself.
  • Examples of the cross-sectional shape of the protrusions in the fiber-reinforced plastic (plate-like body) of the present invention include a polygon (for example, a rectangle), a circle, or an ellipse. For example, there is a quadrangle (eg, a rectangle), a triangle, or a semicircle.
  • a plate-shaped protrusion having a rectangular cross section and a rectangular longitudinal section, or a rod-shaped protrusion having a circular cross section and a rectangular vertical cross section is used. Good It is used well.
  • the protruding portion is a boss
  • a protruding portion whose overall shape is a hemispherical shape, a polygonal column shape, a cylindrical shape, a polygonal pyramid shape, or a conical shape is preferably used.
  • the height 2h (see Fig. 1) of the protrusion is 0.5 to 50 times the thickness It (see Fig. 1) of the plate-like portion. More preferably. If the height 2h of the protrusion is within the above range, the effect as the protrusion is easily exhibited. When the height 2h of the protrusion is smaller than 0.5 times the thickness It of the plate-like part, for example, if the protrusion is a rib, the effect of improving the rigidity by the rib may be reduced. On the other hand, if the height 2h of the protrusion is larger than 50 times the thickness It of the plate-like part, it may be difficult for the protrusion to form a layer structure.
  • the thickness 2t of the protrusion when the shape of the protrusion is the above plate or rod, the thickness 2t of the protrusion (see FIG. 1) is 0.1 to 4 times the thickness It of the plate. It is more preferable that the ratio is 0.5 to 3 times. If the thickness 2t of the protrusion is within the above range, the effect as the protrusion is easily exhibited. If the thickness 2t of the protrusion is less than 0.1 times the thickness It of the plate-like part, for example, if the protrusion is a rib, the effect of improving the rigidity by the rib may be reduced. If it is a boss, the dimensional accuracy of the fitting portion may not be achieved.
  • the thickness 2t of the protrusion is larger than 4 times the thickness It of the plate-like part, the material balance between the plate-like part and the protrusion becomes difficult, and the plate-like part and the protrusion are made of the same layer. It may be difficult to make a structure.
  • An example of the fiber-reinforced plastic (plate-like body) of the present invention is a pre-preda or semi-preda composed of a reinforcing fiber sheet in which reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 100 mm are arranged in the longitudinal direction and a matrix resin.
  • a laminated body obtained by laminating a plurality of layers is obtained, and the laminated body is shaped and solidified by pressurizing in a mold having a substantially constant mold temperature T, and the mold temperature ⁇ is set. Manufactured by demolding while keeping.
  • the matrix resin is a thermosetting resin
  • the handleability of the reinforcing fiber sheet having a fiber length of 10 to 100 mm is good when handled as a pre-preda or semi-preda.
  • the desired protrusion can be easily formed on the plate-like body.
  • the thermosetting resin include epoxy resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, phenol resin, acrylic resin, and mixed resins thereof may be used. .
  • an epoxy resin that provides a fiber-reinforced plastic having excellent mechanical properties is particularly preferable.
  • the pre-predder is a semi-cured intermediate base material in which the matrix fiber is completely impregnated into the reinforcing fiber, and the semi-predder is partially impregnated.
  • the handling becomes extremely easy.
  • a unidirectional pre-predder sheet or unidirectional semi-predder sheet consisting of a large number of reinforcing fibers aligned in one direction and a matrix resin is used so that the arrangement direction of the reinforcing fibers is different.
  • the reinforcing fiber is arranged in one direction, it is easy to increase the reinforcing fiber content of the pre-preda and to prevent the strength of the reinforcing fiber from being reduced by crimping. Therefore, it can be said that the use of a pre-preda or semi-preg is suitable for producing a fiber-reinforced plastic having high strength and high elastic modulus.
  • the pre-predder or semi-predder is processed into a fiber reinforced plastic through a pressurization and heating process in autoclave molding, oven molding, or press molding, and further through a solidification process of matrix resin.
  • a press forming method using a press is preferably used.
  • the press molding method is overwhelmingly superior in productivity because it is easy to prepare before molding and to easily perform post-processing after molding.
  • the matrix resin is a thermosetting resin
  • the mold cooling step required when the matrix resin is a thermoplastic resin can be omitted when the matrix resin is a thermosetting resin. That is, it is possible to remove the molded plate-shaped body from the mold without waiting for the mold to cool after the heating and pressure molding process, and thermosetting resin is used as the matrix resin.
  • the productivity of the desired plate-like body can be greatly improved.
  • the mold temperature T is substantially constant when the mold temperature fluctuation is within ⁇ 10 ° C. say.
  • the fiber reinforced plastic (plate body) of the present invention has the following relational expression (I) between the mold temperature T and the exothermic peak temperature Tp based on differential scanning calorimetry (DSC) of thermosetting resin. )
  • the exothermic peak temperature Tp due to DSC is a value measured under conditions of a heating rate of 10 ° CZ.
  • the fiber-reinforced plastic (plate-like body) of the present invention should be produced under the conditions of a minimum viscosity of 0.1 to lOOPa's based on dynamic viscoelasticity measurement (DMA) of thermosetting resin. Is preferred. More preferably, it is 0.1 to lOPa's.
  • DMA dynamic viscoelasticity measurement
  • the minimum viscosity is less than 0.1 Pa's, only the resin flows during pressurization, and the reinforcing fiber may not be sufficiently filled up to the tip of the protrusion.
  • the fluidity of the resin is poor, and therefore the reinforcing fiber and the resin may not be sufficiently filled up to the tip of the protrusion.
  • the minimum viscosity due to DMA is a value measured under the condition of a heating rate of 1.5 ° CZ.
  • the embodiment of the reinforcing fiber sheet in which the reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 100 mm arranged in a certain direction used in the present invention are arranged in the longitudinal direction is, for example, by spinning means such as check spinning.
  • the obtained discontinuous reinforcing fibers may be sheeted (Aspect A), or discontinuous reinforcing fibers (for example, chopped fibers) are arranged in one direction and sheeted. It may be (Aspect B) or an aspect in which an infinite finite length cut is made in the direction crossing the reinforcing fiber on the entire surface of the unidirectional pre-preder sheet composed of continuous reinforcing fibers! (Aspect C).
  • Checked spinning is one of spinning methods in which fibers are cut into short fiber units by applying tension to continuous fibers in a strand state, and the cut points of the short fibers are not gathered in one place. , It has the characteristic of being evenly distributed over the entire length of the strand.
  • the cut ends of the reinforcing fibers are randomly arranged so as to be aligned in units of single fibers to form an aggregate. Since the reinforcing fibers flow in units of single fibers, the formability is increased. Force is slightly inferior to that of the other. It is possible to realize extremely high mechanical properties due to the very efficient transmission of stress, and to realize excellent quality stability because the cutting points of the reinforcing fibers are dispersed. And
  • the cut ends of the reinforcing fibers are aligned in units of a plurality of fibers, and are arranged regularly to some extent to form an aggregate.
  • the arrangement and distribution unevenness of the reinforcing fibers are reduced.
  • quality stability is slightly inferior, but since it flows in units of a plurality of fibers, it is possible to realize extremely excellent moldability.
  • the cut ends of the reinforcing fibers are aligned in units of a plurality of fibers and are regularly arranged to form an aggregate. Since the reinforcing fibers are regularly arranged, the quality stability and dynamics are improved. Excellent properties and fluidity in units of multiple fibers, so excellent moldability
  • reinforcing fiber sheet in which reinforcing fibers having a fiber length of 10 to 100 mm are arranged in the longitudinal direction from a large number of reinforcing fibers arranged in a certain direction, incisions for cutting the reinforcing fibers are provided.
  • a manual operation using a cutter is performed on an intermediate base material such as a unidirectional pre-prepader sheet or a unidirectional semi-preda sheet composed of a large number of reinforcing fibers arranged in a certain direction and a resin.
  • Method A a method of punching the intermediate substrate with a punching blade in which a blade is arranged at a predetermined position
  • Method B a method of punching the intermediate substrate with a punching blade in which a blade is arranged at a predetermined position
  • Method C a method of continuously cutting with a rotating roller having blades arranged at predetermined positions
  • Method A is suitable for cutting the reinforcing fibers easily, and Method B is suitable for production in large quantities considering production efficiency, and Method C is suitable for mass production.
  • Carbon fibers are preferred as the reinforcing fibers used in the present invention. Carbon fiber It has a low specific gravity and has a particularly high strength and specific elastic modulus, and also has excellent heat resistance and chemical resistance. It is suitable for these members. Of these, PAN-based carbon fibers are preferred because high-strength carbon fibers can be easily obtained.
  • inventions of the fiber reinforced plastic (plate-like body) of the present invention include members such as bicycle cranks and frames, sports members such as golf club shafts and heads that require strength, rigidity, and lightness.
  • mechanical parts such as automobile parts such as doors, seats, members, modules or frames, and robot arms.
  • the member shape is complicated, and shape followability with other members is required.
  • Automotive parts such as seat panels, seat frames, front end modules or door inner modules, cranks, etc. It is preferably used for bicycle members such as.
  • An epoxy resin composition was obtained by the following procedure.
  • Epoxy resin (“Epicoat (registered trademark)” 828: 30 parts by weight, Epicoat 1001: 35 parts by weight, Epicoat 154: 35 parts by weight) manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. and thermoplastic resin 5 parts by weight of polybulformal (Chizo Co., Ltd. “Bee-Leck (registered trademark) K”) was stirred for 1 to 3 hours while heating to 150 to 190 ° C. to uniformly dissolve polybulum formal. .
  • the obtained epoxy resin composition was applied onto release paper using a reverse roll coater to prepare a resin film.
  • the exothermic peak temperature Tp according to DSC of the obtained epoxy resin composition was 152 ° C.
  • DSC2910 product number manufactured by T.A. Instruments Inc. was used, and the measurement was performed under the condition of a temperature increase rate of 10 ° CZ.
  • the minimum viscosity according to DMA was 0.5 Pa's.
  • a dynamic viscoelasticity measuring device “ARES” manufactured by tee 'A' Instruments Co., Ltd. was used, with a temperature rising rate of 1.5 ° CZ, a vibration frequency of 0.5 Hz, and a parallel plate (diameter 40 mm). Under the conditions, the minimum viscosity was obtained from the relationship curve between temperature and viscosity.
  • the mechanical properties were evaluated by measuring the bending stiffness by a three-point bending test. From the molded body having ribs, a test piece was obtained by cutting into a shape of 100 ⁇ lmm in length and 30 ⁇ 0.2mm in width so that the rib was continuous in the longitudinal direction of the test piece and at the center of the test piece. .
  • the obtained specimen was adjusted so that the ribs face downward (fulcrum side), the distance between the fulcrums was 80 mm, and the fulcrum was supported by the plate-like portion.
  • a unidirectional pre-preder sheet 11 shown in Fig. 6 was prepared by the above-described pre-preparer production method.
  • the arrangement direction (fiber longitudinal direction) of a large number of reinforcing fibers in the unidirectional pre-preder sheet 11 is indicated by an arrow 9 (vertical direction in FIG. 6), and is orthogonal to the arrangement direction of the reinforcing fibers.
  • the direction (direction perpendicular to the fiber) is indicated by an arrow 10 (left-right direction in FIG. 6).
  • Regular cuts 12 at regular intervals as shown in FIG. 6 were continuously inserted into the unidirectional pre-preder sheet 11 in the direction perpendicular to the fiber using an automatic cutter.
  • FIG. 6 the arrangement direction (fiber longitudinal direction) of a large number of reinforcing fibers in the unidirectional pre-preder sheet 11 is indicated by an arrow 9 (vertical direction in FIG. 6), and is orthogonal to the arrangement direction of the reinforcing fibers.
  • each cut interval (pitch) b in the longitudinal direction of the fiber, that is, the divided length of the reinforcing fiber is 30 mm, which is adjacent in the direction perpendicular to the fiber.
  • the interval c between adjacent cuts was 10 mm.
  • pre-predder base materials having a size force of 300 X 300 mm were cut out. These were laminated so that the whole was pseudo-isotropic ([+ 45Z0Z-45 / 90]) to prepare a pre-preda laminate.
  • Prepreda laminate
  • pre-predder base materials laminated in the center, but since the 90 ° layer in the center layer has the same fiber direction and two layers overlap, the number of layers is handled as 15 layers.
  • a mold shown in FIG. 8 was prepared in which two grooves (rib grooves) 14 for forming protrusions (ribs) shown in FIG. 7 were provided at intervals.
  • the mold 13A has two rib forming grooves 14A1 and 14A2. This mold 13A is used as an upper mold described below.
  • a pressurizing force of 6 MPa is applied by a heating type press molding machine to which the upper mold 13A is attached. Pressing, heating temperature 150 ° C heating, molding time 30 minutes under the molding conditions, the pre-preg laminate is heated, pressurized and shaped to harden the matrix resin and form a flat plate with ribs A body (plate-like body) was obtained.
  • the obtained plate-like body has a plate-like portion with a thickness It of 2. Omm and is filled with reinforcing fibers up to the tip of the rib.
  • the rib has a laminated structure, and the reinforcing fibers in the laminated structure are continuous from the reinforcing fibers in the laminated structure of the plate-like portion, and the eight layers forming the rib are in the shape of the rib. It is certain that it is positioned as a layer having a shape corresponding to the shape along the side, that is, the both side surfaces and the upper surface of the rib.
  • Molding is performed in the same manner as in Example 1 except that the upper mold 13B is used in which the positions of the grooves for forming the protrusions of the upper mold are changed to the cross-shaped grooves 14B1 and 14B2 shown in FIG. A body (plate-like body) was made.
  • the obtained plate-like body has a plate-like portion thickness It of 2. Omm, filled with reinforcing fibers up to the tip of the rib, and the cross-section of the rib is observed. So that the rib has a laminated structure
  • the reinforcing fibers in the laminated structure are continuous from the reinforcing fibers in the laminated structure of the plate-like portion, and the eight layers of ribs are formed along the shape of the ribs, that is, on both sides of the ribs and Confirmed to be located as a layer with a shape corresponding to the top surface
  • a flat plate-shaped body (plate-shaped body) was obtained in the same manner as in Example 1 except that notches were not inserted into the unidirectional pre-preder sheet.
  • the obtained plate-like body had a plate-like portion thickness force of 2.3 mm, and the ribs were not filled with reinforcing fibers in about 50% of the ribs.
  • the cross section of the rib about 80% of the formed rib is formed of grease, and the reinforcing fiber layer constituting the laminated structure of the rib has a shape along the shape of the rib. It turned out that it was not.
  • a flat plate-shaped molded body (plate-shaped body) was obtained in the same manner as in Example 1 except that an upper mold without a groove for forming a protrusion was used.
  • the thickness of the obtained plate-like body was 2.4 mm. Two plate-like pieces having a width of 10 mm were cut out from the obtained plate-like body. Next, the two plate-like pieces were formed on the surface of the plate-like body obtained in this comparative example using the same shape and sliding two-component epoxy adhesive as the plate-like body of Example 1. Were joined together to produce a flat plate-like body having ribs. In addition, in order to increase the adhesion of the joint portion, the portion to be bonded was subjected to a sandblast treatment before the plate-shaped piece was bonded.
  • Fig. 10 shows a longitudinal sectional view of the vicinity of the rib on one side of the obtained plate-like body having the rib.
  • a plate-like body 101 includes plate-like portions 101a and 101b, and projections (ribs) 102a formed by bonding plate-like pieces.
  • the plate-like portions 101a and 101b are formed of strong fiber layers 103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f, 103g, and 103h in which a matrix resin coexists.
  • the rib 102a has a laminated structure, but the reinforcing fiber in the laminated structure of the rib 102a and the reinforcing structure in the laminated structure of the plate-like portions 101a and 101b.
  • the fiber is not continuous, and the continuity of each layer forming the laminated structure is interrupted at the tip of the rib 102a, and each layer is not shaped along the shape of the rib 102a. It was.
  • the pre-preder base material prepared in Example 1 is [+ 45/0 / -45 / 90]
  • Prepreda Laminate A Eight pieces were laminated on 2 to prepare Prepreda Laminate A. Two pieces of pre-preder laminate B having a size of 300 x 20 mm were cut out from the prepared pre-preder laminate A.
  • the obtained two pre-preder laminates B were folded in half so that each 90-degree layer was inside, and the folded side was the same as in Example 1 so that the folded side was the tip of the groove.
  • the pre-preder laminate A is placed on the lower mold having a surface of 300 ⁇ 300 mm, and then a flat molded body having ribs under the same conditions as in Example 1. (Plate-like body) was produced.
  • Fig. 11 shows a longitudinal sectional view of the vicinity of the rib on one side of the produced plate-like body.
  • the plate-like body 111 includes plate-like portions l l la, 111b, and projections (ribs) 112a.
  • the plate-like portion 11 la is formed by the reinforcing fiber layers 113a, 113b, 113c, 113d, 113e, 113f, 113g, and 113h force coexisting with the matrix resin!
  • the rib 112a has a laminated structure, and eight layers have a shape along the shape of the rib 112a.
  • the reinforcing fiber in the laminated structure and the reinforcing fiber in the 11 la laminated structure are continuous!
  • the obtained plate-like body had a plate-like portion thickness force of 2.0 mm, and the fibers filled up to the tip of the rib. However, when the cross-section of the rib was observed, the reinforcing fibers were independent of each other. Randomly oriented and stacked, and a clear layer of reinforcing fibers was formed in each thickness direction in each of the plate-like portion and the ribs, and they were carefully connected.
  • the specific bending stiffness of the obtained plate-like body was as low as 250 (kN-mm g).
  • the fiber-reinforced plastic of the present invention includes discontinuous reinforcing fibers in each layer force constituting the laminated structure of the plate-like portion and the protruding portion, and at least a part of the reinforcing fibers is protruded from the plate-like portion. And at least one of the layers constituting the layered structure of the protrusions has a shape along the shape of the protrusions. With this structure, the protrusion in the fiber-reinforced plastic of the present invention has desired mechanical properties.
  • the fiber-reinforced plastic of the present invention is used, for example, for structural members of transportation equipment (automobiles, aircrafts, ships, etc.), structural members of industrial machines, structural members of precision equipment, or sports equipment (bicycles, golf, etc.). It is preferably used as a structural member.

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Description

明 細 書
繊維強化プラスチックおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、板状部と該板状部の少なくとも片面から隆起した突起部を有する板状 体であり、前記板状部および突起部が、多数本の強化繊維と、該多数本の強化繊維 と一体となったマトリックス榭脂とで形成された繊維強化プラスチック、ならびに、その 製造方法に関する。
[0002] 前記突起部を有する板状体の典型例として、リブあるいはボスを有する板状体があ る。この板状体は、構造部材として広く用いられている。この構造部材の例としては、 自動車などの輸送機器、自転車などのスポーツ用具などにおける構造部材がある。 背景技術
[0003] 強化繊維とマトリックス榭脂とからなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率 が高ぐ力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することな ど力も産業用途においても注目され、その需要は、年々高まりつつある。
[0004] 繊維強化プラスチック成形品の大きな特徴の 1つである軽量性を効率的に発現さ せるために、リブと呼ばれる突起部を成形品の表面に形成することが行われている。 これにより、成形品の肉厚を厚くしないで、成形品の剛性や強度を高めることが出来 る。
[0005] 成形品の広!、平面部のソリなどを防ぐためにも、リブの存在は有効である。リブの他 にも、複数の部材カもなる構造物においては、ボスと呼ばれる凹部に対し用いられる 嵌め合いや成形品同士の接合時における位置決め用の突起部が多用されている。
[0006] 繊維強化プラスチックの成形方法としては、特に高機能特性を有する繊維強化ブラ スチックでは、プリプレダと称される強化繊維にマトリックス榭脂を含浸せしめた半硬 化状態のものを積層し、高温高圧釜 (オートクレープ)で加熱加圧することによりマトリ ックス榭脂を硬化させ、繊維強化プラスチックを成形するオートクレープ成形力 最も 一般的である。オートクレープ成形に比べ生産性に優れた成形方法として、所望の 形状に繊維基材を賦形した後、榭脂を含浸させる RTM (レジントランスファーモール デイング)成形も行われて 、る。
[0007] これらの成形方法において用いられる強化繊維の形態としては、高い力学特性が 得られやす ヽ連続繊維が一般的である。
[0008] 連続繊維からなる繊維強化プラスチック成形品に、リブやボスなどの突起部を形成 する手段としては、予めオートクレープ成形などにより成形された板状部に、同じく予 め成形された突起部を、接着剤などを用いて接合する方法、あるいは、予めオートク レーブ成形などにより成形された板状部に、突起部を成形させるインサート射出成形 などがある。
[0009] し力しながら、前者の場合、板状部および突起部をそれぞれ作製し、更に、それら を接合すると云う非常に手間の力かる工程を必要とし、更には、接合部の接着性に ついて考慮しなければならない問題があった。後者の場合、概ね射出成形により形 成された突起部の物性は低いため、特にリブとしての効果は小さぐまた、板状部と 突起部の接着性は良好でない場合があり、その接合部で剥離しやすい問題があつ た。
[0010] その他の手段としては、予め突起部の形状に繊維基材を賦形し、 RTM成形により 成形する方法なども挙げられる力 繊維基材の賦形に手間と時間とがかかるため、ォ 一トクレーブ成形に比べると生産性に優れるものの生産性が良好とは云えないこと、 単純形状の突起部し力成形出来ないなどの問題があった。
[0011] 一方、強化繊維の長さが数乃至数十 mm程度である短繊維強化プラスチックの場 合は、突起部を形成することは、比較的容易である。例えば、マトリックス榭脂が熱硬 化性榭脂であれば、 SMC (シートモールディングコンパウンド)や BMC (バルタモー ルディングコンパウンド）によるプレス成形など、熱可塑性榭脂であれば、射出成形な どを用いることが可能である。
[0012] し力しながら、 SMCや BMCでは、その製造工程において、強化繊維の分布ムラ、 配向ムラが必然的に生じるため、成形品の力学物性が低下し、あるいは、その物性 値のバラツキが大きくなると云う問題があった。また、射出成形では、強化繊維の量を 少なぐその長さも短いものを用いないと成形出来ないため、成形品の力学物性は非 常に低くなる。従って、これらの方法では、構造部材に適した突起部を有する繊維強 化プラスチックを製造することは難しいと云う問題があった。
[0013] このような従来技術の問題点を改善する試みが、提案されている (特許文献 1)。特 許文献 1には、プレス成形に基づくリブを備えた成形品の製造方法が開示されている 。その製造方法は、リブの部分で繊維を切断することにより、成形時に繊維の切断端 部をリブ先端まで流し込んで、リブに繊維を充填させようとするものである。
[0014] しかし、リブの部分のみで繊維を切断した場合、リブ以外の部分では繊維が切断さ れていないため、繊維は全体として互いに拘束され、リブの先端まで繊維が充填し難 いのが実情である。この製造方法により、リブの先端まで繊維が充填した成形品が出 来たとしても、リブが形成されている方向（リブの高さ方向）への剛性は向上するが、リ ブの厚み方向への剛性は、繊維が切断されているため、榭脂のみの剛性に依存す ることになり、それがため極めて低くなり、実際の構造部材としては、使用に耐えない 場合が生じる。
[0015] このように、簡易に成形することが可能で、かつ、力学物性にも優れる突起部を有 する繊維強化プラスチックは、これまで見当たらない。
特許文献 1：特開昭 63— 087206号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 本発明は、従来技術の問題点を改善した力学特性に優れた突起部を有する繊維 強化プラスチック、ならびに、その製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0017] かかる目的を達成する本発明の繊維強化プラスチックは、次の通りである。
[0018] 板状部と該板状部の少なくとも片側の面力 隆起した突起部を有する板状体力 な り、前記板状部および前記突起部が、多数本の強化繊維と、該多数本の強化繊維と 一体となったマトリックス榭脂とからなる繊維強化プラスチックにおいて、
(a)前記板状部および前記突起部における前記多数本の強化繊維が、それぞれ における多数本の強化繊維の配列方向が異なる少なくとも 2つの強化繊維層からな り、
(b)前記各強化繊維層における前記多数本の強化繊維のそれぞれの繊維長が、 1 0乃至 100mmであり、
(c)前記各強化繊維層の少なくとも一部の強化繊維が、前記板状部から前記突起 部に亘つて連続して位置し、かつ、
(d)前記突起部における前記少なくとも 2つの強化繊維層の少なくとも 1つの強化 繊維層が、前記突起部の形状に沿った形状を有している繊維強化プラスチック。
[0019] 本発明の繊維強化プラスチックにおいて、前記板状部が、前記突起部が位置する 面とは反対側の面において一体化された強化繊維基層を含み、かつ、該強化繊維 基層における強化繊維が、多数本の連続した強化繊維力もなることが好ま 、。
[0020] 本発明の繊維強化プラスチックにお 、て、前記突起部の厚みが、前記板状部の厚 みの 0. 1乃至 4倍であることが好ましい。
[0021] 本発明の繊維強化プラスチックにおいて、前記突起部の高さが、前記板状部の厚 みの 0. 2乃至 50倍であることが好ましい。
[0022] 本発明の繊維強化プラスチックにおいて、前記突起部の横断面形状が、四角形あ るいは円形であることが好ましい。
[0023] 本発明の繊維強化プラスチックにお 、て、前記マトリックス榭脂が、熱硬化性榭脂 であることが好ましい。
[0024] 本発明の繊維強化プラスチックにおいて、前記強化繊維が、炭素繊維であることが 好ましい。
[0025] かかる目的を達成する本発明の繊維強化プラスチックの製造方法は、次の通りであ る。
[0026] 板状部と該板状部の少なくとも片側の面力 隆起した突起部を有する板状体力 な り、前記板状部および突起部が、多数本の強化繊維と、該多数本の強化繊維と一体 となったマトリックス榭脂とからなる繊維強化プラスチックの製造方法において、
(a)それぞれの繊維長が 10乃至 1 OOmmの多数本の強化繊維が一方向に順次配 列された強化繊維シートと該強化繊維シートの全体に、あるいは、部分的に含浸した 未硬化状態のマトリックス榭脂とからなる少なくとも 2枚のプリプレダ基材が、前記強化 繊維の配列方向が異なる状態で積層されてなるプリプレダ積層体を用意する積層体 準備工程と、 (b)前記突起部を形成するための凹部を有する一方の金型と、該金型との間で前 記板状部を形成する他方の金型とからなる前記板状体を成形する成形装置を用意 する成形装置準備工程と、
(c)前記成形装置準備工程において用意された前記成形装置の前記金型間に、 前記積層体準備工程において用意された前記プリプレダ積層体を収容する積層体 収容工程と、
(d)前記積層体収容工程において前記金型内に収容された前記プリプレダ積層体 を、前記金型により加熱および加圧し、前記板状部および前記突起部の賦形を行う とともに、前記マトリクス榭脂の固化を行 ヽ前記板状体を形成する板状体形成工程と
(e)前記板状体形成工程にお!ヽて形成された板状体を、前記金型から取り出す板 状体脱型工程とからなる繊維強化プラスチックの製造方法。
[0027] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法において、前記プリプレダ積層体が、前 記突起部が形成される面とは反対側の面において一体化された強化繊維基層を含 み、かつ、該強化繊維基層における強化繊維が、多数本の連続した強化繊維からな ることが好ましい。
[0028] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法において、前記マトリックス榭脂が、熱 硬化性榭脂であることが好まし 、。
[0029] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法において、前記金型の温度が一定に維 持されている間に、前記板状体形成工程と前記板状体脱型工程が行われることが好 ましい。
[0030] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法にぉ 、て、前記板状体形成工程におけ る前記熱硬化性榭脂の粘度力 0. 1乃至 lOOPa' sであることが好ましい。
[0031] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法において、前記板状体形成工程におけ る前記金型の温度 Tと前記熱硬化性榭脂の発熱ピーク温度 Tpとが、 Tp— 60≤T≤
Τρ + 20の関係を満足することが好ま U、。
[0032] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法において、前記積層体準備工程で用意 される前記プリプレダ積層体に関して、前記 10乃至 100mmの繊維長力 一方向に 配列された多数本の強化繊維に、この長さの間隔で、順次、切り込みを入れることに より創出されており、かつ、少なくとも隣接して位置する前記プリプレダ基材間で、前 記切り込みの位置および方向の一方あるいは双方が異なっていることが好ましい。 発明の効果
[0033] 本発明の繊維強化プラスチックは、板状部と突起部との積層構造を構成する各層 力 ともに不連続の強化繊維を含み、かつ、強化繊維の少なくとも一部が板状部から 突起部に亘つて連続しており、突起部の積層構造を構成する層の少なくとも 1つが、 突起部の形状に沿った形状を有している。この構造により、本発明の繊維強化プラス チックにおける突起部は、所望とする力学特性を有する。
[0034] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法によれば、特に、構造部材の構成上重 要となるリブあるいはボスなどの突起部の力学特性の製造過程における低下が最小 限に抑えられ、かつ、簡易に繊維強化プラスチックを製造することが出来る。
[0035] 本発明の繊維強化プラスチックは、例えば、輸送機器 (自動車、航空機、艦艇など） の構造部材、産業機械の構造部材、精密機器の構造部材、あるいは、スポーツ用具 (自転車、ゴルフなど）の構造部材として好ましく用いられる。
図面の簡単な説明
[0036] [図 1]図 1は、本発明の繊維強化プラスチックの一例の概略縦断面図である。
[図 2]図 2は、図 1の繊維強化プラスチックの板状部力 突起部に連続している強化 繊維の状態を説明する概略縦断面図である。
[図 3A]図 3Aは、それぞれが、本発明の繊維強化プラスチックにおける一方向に配列 された多数本の強化繊維力もなる強化繊維シートとマトリックス榭脂とからなる層の積 層状態の一例を説明する縦断面模式図である。
[図 3B]図 3Bは、それぞれが、本発明の繊維強化プラスチックにおける一方向に配列 された多数本の強化繊維力もなる強化繊維シートとマトリックス榭脂とからなる層の積 層状態の他の一例を説明する縦断面模式図である。
[図 3C]図 3Cは、それぞれが、本発明の繊維強化プラスチックにおける一方向に配列 された多数本の強化繊維力もなる強化繊維シートとマトリックス榭脂とからなる層の積 層状態の更に他の一例を説明する縦断面模式図である。 [図 4A]図 4Aは、本発明の繊維強化プラスチックにおける突起部の一例の強化繊維 の層構造を説明する縦断面模式図である。
[図 4B]図 4Bは、本発明の繊維強化プラスチックにおける突起部の他の一例の強化 繊維の層構造を説明する縦断面模式図である。
[図 4C]図 4Cは、本発明の繊維強化プラスチックにおける突起部の更に他の一例の 強化繊維の層構造を説明する縦断面模式図である。
[図 5]図 5は、従来の繊維強化プラスチックの一例の概略縦断面図である。
[図 6]図 6は、本発明の繊維強化プラスチックの製造に用いられる一方向に配列され た強化繊維とマトリックス榭脂とからなるプリプレダ基材の一例の概略平面図である。
[図 7]図 7は、本発明の繊維強化プラスチックの製造に用いられる成形装置における 突起部を形成するための溝部を有する金型の一例の概略縦断面図である。
[図 8]図 8は、本発明の繊維強化プラスチックの製造に用いられる成形装置における 突起部を形成するための溝部を有する金型の該溝部の配置状態の一例を説明する 金型の概略平面図である。
[図 9]図 9は、本発明の繊維強化プラスチックの製造に用いられる成形装置における 突起部を形成するための溝部を有する金型の該溝部の配置状態の他の一例を説明 する金型の概略平面図である。
[図 10]図 10は、従来の繊維強化プラスチックの他の一例の概略縦断面図である。
[図 11]図 11は、従来の繊維強化プラスチックの更に他の一例の概略縦断面図である 符号の説明
1 : 板状体
la, lb : 板状部
It: 板状部の厚み
2a: 突起部
2aSl、 2aS2、 2aS3 : 突起咅における面
2h: 突起部の高さ
2t: 突起部の厚み 3a-3h: マトリックス榭脂が共存した強化繊維層
4: 強化繊維
4A2a、 4B2a、 4C2a: 突起部
5: 板状体
5a-5d: 積層されたプリプレダ基材における強化繊維層
6: 榭脂領域
7a- 7k: 突起部外表面を形成している面
8a— 8ο： 突起部におけるマトリックス榭脂が共存した強化繊維層
9: 繊維長手方向
10: 繊維直交方向
11: 一方向プリプレダシート
12: 切り込み
13、 13A、 13B: 上金型
14、 14A1、 14A2、 14B1、 14B2: リブ溝
51a, 51b: 板状部
52a: 突起部
101: 板状体
111： 板状体
発明を実施するための最良の形態
本発明の繊維強化プラスチックは、板状部と、前記板状部の少なくとも片側の面か ら隆起した突起部とを有する板状体からなり、前記板状部および前記突起部が、多 数本の強化繊維と、この強化繊維と一体となったマトリックス榭脂とからなり、かつ、（a )前記板状部および前記突起部における前記多数本の強化繊維が、それぞれにお ける多数本の強化繊維の配列方向が異なる少なくとも 2つの強化繊維層からなり、 (b )前記各強化繊維層における前記多数本の強化繊維のそれぞれの繊維長力 10乃 至 100mmであり、（c)前記各強化繊維層の少なくとも一部の強化繊維力 前記板状 部から前記突起部に亘つて連続して位置し、かつ、（d)前記突起部における前記少 なくとも 2つの強化繊維層の少なくとも 1つの強化繊維層が、前記突起部の形状に沿 つた形状を有している。
[0039] 次に、実施例を用いて図面を参照しながら本発明を更に説明する。
[0040] 図 1において、本発明の繊維強化プラスチックは、板状体 1からなる。板状体 1は、 マトリックス榭脂と共存する複数の強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3d、 3e、 3f、 3g、 3hから 形成されている。各層 3a、 3b、 · · ' 3hは、層毎に同じハッチングをもって示されてい る。板状体 1は、左右の板状部 la、 lbと突起部 2aとを有する。強化繊維層 3a、 3b、 3 c、 3dは、左右の板状部 la、 lbのスキン層を形成し、このスキン層が隆起して、突起 部 2aを形成している。強化繊維層 3e、 3f、 3g、 3hは、板状体 1の基層を形成してい る。
[0041] 板状体 1を形成している強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3d、 3e、 3f、 3g、 3hの内、少なく ともスキン層を形成する各強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dは、一定方向に多数本の強化 繊維が配列された強化繊維シートからなる。図 1に示す態様では、板状体 1の基層を 形成している強化繊維層 3e、 3f、 3g、 3hも、一定方向に多数本の強化繊維が配列 された強化繊維シートからなる。
[0042] スキン層を形成している強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dにおける多数本の強化繊維の 少なくとも一部は、板状部 la、 lbから突起部 2aに亘つて連続して位置している。また 、スキン層を形成している強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dは、突起部 2aにおいて、突起 部 2aの形状に沿った形状を有して 、る。
[0043] 図 1の突起部 2aは、その 1つの態様であるリブを示す。板状体 1からなる繊維強化 プラスチックは、このリブ 2aの存在により、その剛性の向上と軽量化が図られる。リブ 2 aにより、板状体 1のソリが低減され、板状体 1の寸法安定性が向上する。一方、突起 部 2aを、その別の態様の 1つであるボスとすると、このボス 2aにより、複数の部材を正 確に位置決めして嵌合したり、別部品を埋め込むことが可能となる。
[0044] 突起部 2aは、通常、部材 (板状体 1)の片面に設けられることが多いが、必要に応じ て、突起部 2aは、部材の両面に設けられていても良い。
[0045] 本発明において、少なくともスキン層を形成している強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dの それぞれにおける強化繊維の繊維長は、 10乃至 100mmとされている。強化繊維の 繊維長が 10mmより短い場合、強化繊維による板状体 1、特に、突起部 2aの補強効 果が小さくなり、板状体 1の力学物性が低くなる。一方、強化繊維の繊維長力^ 00m mより長 、場合、突起部 2aの先端まで十分に強化繊維が充填されな 、。
[0046] 板状体 1の基層を形成している強化繊維層 3e、 3f、 3g、 3hにおける強化繊維は、 連続した強化繊維であっても良いし、不連続な強化繊維、例えば、繊維長が 10乃至 100mmの強化繊維力 長手方向に配列されて 、る不連続な強化繊維であっても良 い。板状体 1のスキン層と基層とを明確に作り分けたい場合や、より高い力学特性を 発現させたい場合には、少なくとも一部の強化繊維層における強化繊維は、連続し た強化繊維であることが好ましい。より高い力学特性を発現させたい場合は、基層を 形成する強化繊維層における全ての強化繊維が、連続した強化繊維からなることが より好まし 、。
[0047] 確実に突起部 2aの先端まで強化繊維が充填されるためには、基層を形成する強 化繊維層の少なくとも一部の強化繊維の繊維長は、 10乃至 100mmであることが好 ましい。特に、基層を形成する強化繊維層の全てにおける強化繊維の繊維長力 こ の範囲内にあることにより、突起部 2aへの強化繊維の充填の確実性を最も高めること が出来る。
[0048] 本発明において、スキン層を形成する強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dは、板状部 la、 lbと突起部 2aとを形成している。すなわち、板状部 la、 lbにおけるスキン層と突起 部 2aとは、同じ強化繊維層 3a、 3b、 3c、 3dで形成されている。板状部 la、 lbのスキ ン層と突起部 2aとの強化繊維の積層構造が異なっていると、双方の境界部分におい て、熱収縮率や線膨張係数の差異などによって残留応力が生じ易くなり、結果として 、クラック発生や繊維強化プラスチックとしてのソリの原因となる恐れがある。
[0049] 更に、本発明において、積層構造を構成する各層の強化繊維の少なくとも一部力 板状部 la、 lbから突起部 2aに亘つて連続している。これにより、突起部 2aと板状部 1 a、 lbとの間には、強固な一体構造が形成され、リブやボスなどの突起部としての機 能が十分に発揮される。突起部 2aの積層構造をなす強化繊維が、板状部 la、 lbの 積層構造をなす強化繊維と連続して 、な ヽ場合、突起部 2aの付け根部分の強度が 低くなり、付け根部分で破壊または剥離が生じ易くなる。
[0050] 強化繊維が板状部 la、 lbから突起部 2bに亘つて連続している状態が、図 2に示さ れる。強化繊維が板状部 la、 lbから突起部 2bに亘つて連続しているとは、図 2に示 されるように、強化繊維 4が、板状部 laから突起部 2aに亘り、連続して存在している 状態を云う。
[0051] 本発明の強化繊維層の積層構造は、図 1に示す態様を用いて説明すると、板状体 1の縦断面を観察した場合、強化繊維がある方向に配向されている層（例えば、層 3a )と、それとは強化繊維が異なる方向に配向されている層 (例えば、層 3b)とが、それ ぞれ別の層を形成し、それら別の層からなる複数の層 3a、 3b、 · · ' 3hが、板状体 1の 厚み方向に順番に積み重なって 、る構造を有する。
[0052] この積層構造の例が、図 3A、図 3B、および、図 3Cに示される。これらの図におい て、一定の方向（図において、水平方向）に配列された多数本の強化繊維とマトリック ス榭脂とからなる層 5b、 5dのように、強化繊維の連続性が途切れ、途切れた部分に 榭脂領域 6が存在していても、隣接する層 5a、 5cにおいては、強化繊維が異なる方 向（図において、紙面に垂直な方向）に配列されている。各層における強化繊維は、 長手方向において、それぞれ繊維長 10乃至 100mmをもって分断はされているが、 隣接する層同士により、強化繊維は長手方向に連続して支持されている。従って、そ の層に存在する強化繊維は、その長手方向において分断はされている力 強化繊 維の各セグメントは、同じ層に存在している。このような配列状態にある強化繊維の各 セグメントを一体として、本発明において、強化繊維層と云う。
[0053] なお、強化繊維がランダムに配列された SMCや BMCを数枚重ね合わせてプレス 成形した場合、その側面では、有限長の強化繊維がそれぞれ独立してランダムに配 向されて積み重なつているため、繊維強化プラスチックの厚み方向に明確な層を形 成しておらず、これらの強化繊維の存在状態は、本発明で云う強化繊維層を形成す る強化繊維の状態には含まれな 、。
[0054] 本発明において、突起部 2aを形成している層 3a、 3b、 3c、 3dの内の少なくとも 1つ の層が、突起部 2bの形状に沿った形状を有している。層が突起部 2bの形状に沿つ た形状であるとは、その層、例えば、層 3aが、突起部 2bを構成する各面 2aSl、 2aS 2、 2aS3 (図 1参照）のそれぞれの向きと同じ向きを有して 、る状態を云う。
[0055] このような層形成の状態の例が、図 4A、図 4B、および、図 4Cに示される。図 4Aに 示す突起部 4A2aの縦断面においては、突起部 4A2aは、左右の側面と頂面とに、 3 つの平面 7a、 7b、 7cを有する。図 4Bに示す突起部 4B2aの縦断面においては、突 起部 4B2aは、左右の側面、頂面、頂部の右側側面と段差部頂面とに、 5つの平面 7 d、 7e、 7f、 7g、 7hを有する。図 4Cに示す突起部 4C2aの縦断面においては、突起 部 4C2aは、左右の側面と半円状の頂面とに、平面 7i、 7kと曲面 7jを有する。
[0056] 図 4Aに示す突起部 4A2aにおいては、突起部 4A2aを形成する層 8a、 8b、 8c、 8 d、 8eが、それぞれ、前記各面に沿う方向に位置している。図 4Bに示す突起部 4B2a においては、突起部 4B2aを形成する層 8f、 8g、 8h、 8i、 8jが、それぞれ、前記各面 に沿う方向に位置している。図 4Cに示す突起部 4C2aにおいては、突起部 4C2aを 形成する層 8k、 81、 8m、 8n、 8oが、それぞれ、前記各面に沿う方向に位置している 。突起部の形状に沿った形状とは、突起部を構成する面に対し対応する層の中央面 力 当該面に略平行であることを云う。略平行の用語は、層の中央面は厳密な平面 になる場合は少ないと考えられることから、平行の概念に幅を持たせる必要があるた めに、用いられている。突起部を構成する面に対し対応する層の中央面がその層の 厚み以内に面のズレが収まっている場合を略平行と云う。
[0057] 図 5に、従来の板状体 (繊維強化プラスチック） 5が示される。図 5において、板状体 5は、板状部 51a、 51bと突起部 52aからなる。突起部 52aは、強化繊維の積層構造 53a, 53b、 53c、 53d、 53e、 53f、 53g、 53hを有し、突起部 52aは、強ィ匕繊維の積 層構造 53a、 53b, 53c、 53dを有する。突起部 52aの強化繊維は、板状部 51a、 51 bの強化繊維と連続している。し力し、層 53a、 53b、 53c、 53d力 突起部 52aの先 端で、突起部 52aの形状に沿っていない。すなわち、板状体 5は、突起部 52aにおけ る前記の層が、突起部 52aの形状と相似の形状を有していない。この場合、突起部 5 2aに力が作用すると、突起部 52aの先端が破壊の起点となり、板状体 5の物性の低 下を引き起こす。
[0058] 本発明において、特に断らない限り、板状部とは、表面の形状が、平面を含む 1Z 100以下の曲率を有する一次曲面、二次曲面、または、球面など力もなる板状部を 云う。
[0059] 本発明における突起部を形成する方法としては、プリプレダゃセミプレダなどの中 間基材の積層体を、少なくとも片側の金型に突起部を形成するための凹部を有する 両面型の金型内で、加圧して、突起部を形成する方法がある。この方法により突起部 が形成されるメカニズムは明らかでないが、次のように考えられる。
[0060] 先ず、両面型の金型内で、繊維長 10乃至 100mmの有限長の強化繊維からなる 中間基材である積層体を加圧することにより、積層体の各層は、積層状態を保ったま ま、積層面の方向（面内方向）に流動しょうとする。そして、面内方向への流動が飽和 したとき、片側の金型に凹形状の空間部があると、積層体は、積層状態を保ったまま 、凹形状の空間部、すなわち、当初の積層面の方向に対し、垂直な方向あるいはあ る角度をもった方向（面外方向）〖こも流動し、空間部に進入する。この空間部に進入 した積層体により、突起部が形成されると推定される。なお、この流動過程で、強化 繊維が更に切断されることはないので、形成される板状体 (繊維強化プラスチック）は 、原材料の強化繊維の繊維長に応じた繊維長 10乃至 100mmを有する強化繊維を 含むことになる。
[0061] 強化繊維の配向方向を異にする強化繊維層が複数層あることにより、突起部は、寸 法安定性に優れるものとなる。強化繊維の配向方向が一方向のみの場合、突起部は 、熱収縮率や線膨張係数の異方性によってソリなどを生じ易ぐ寸法精度が悪くなる 。更に、突起部が、リブの場合は、リブに対して 2方向への力が作用した場合、あるい は、ねじれの力が作用した場合、強化繊維の配向方向が一方向のみの場合、力の 作用方向により、リブとしての強度や剛性が不足する。そのため、強化繊維の配向方 向を互いに異にする少なくとも 2層の強化繊維層が必要となる。中でも、複数の強化 繊維層が、 [0/90] や [0Z±60] 、 [+45/0/-45/90] といった等方積 nS nS nS
層で、かつ、対称積層構造を有していることが、板状体 (繊維強化プラスチック）自体 のソリ低減などを考慮すると、好ましい。
[0062] 本発明の繊維強化プラスチック (板状体）における突起部の横断面形状としては、 例えば、多角形 (例えば、長方形)、円形、あるいは、楕円形があり、縦断面形状とし ては、例えば、四角形 (例えば、長方形）、三角形、あるいは、半円形がある。突起部 カ^ブの場合は、横断面形状が長方形で、縦断面形状が長方形である板状の突起 部、または、横断面形状が円形で、縦断面形状が長方形である棒状の突起部が、好 ましく用いられる。突起部がボスの場合は、全体の形状が、半球状、多角柱状、円柱 状、多角錐状、円錐状である突起部が、好ましく用いられる。
[0063] 本発明において、突起部の高さ 2h (図 1参照）が、板状部の厚み It (図 1参照）の 0 . 5乃至 50倍であることが好ましぐ 1乃至 25倍であることがより好ましい。突起部の高 さ 2hが上記範囲内であれば、突起部としての効果が発現され易い。突起部の高さ 2 hが板状部の厚み Itの 0. 5倍より小さい場合、例えば、突起部がリブであると、リブに よる剛性向上の効果は小さくなつてしまうことがある。一方、突起部の高さ 2hが板状 部の厚み Itの 50倍よりも大きい場合、突起部が層構造を形成するのが難しくなる場 合がある。
[0064] 本発明にお 、て、突起部の形状が上記の板状あるいは棒状である場合、突起部の 厚み 2t (図 1参照）が、板状部の厚み Itの 0. 1乃至 4倍であることが好ましぐ 0. 5乃 至 3倍であることがより好ましい。突起部の厚み 2tが上記範囲内であれば、突起部と しての効果が発現され易い。突起部の厚み 2tが板状部の厚み Itの 0. 1倍より小さい 場合、例えば、突起部がリブであると、リブによる剛性向上の効果は小さくなつてしま うことがあり、突起部がボスであると、嵌め合い部の寸法精度が出ない場合がある。一 方、突起部の厚み 2tが板状部の厚み Itの 4倍よりも大きい場合、板状部と突起部と のマテリアルバランスが取りに《なり、板状部および突起部とを同様の層構造とする ことが難しくなる場合がある。
[0065] 本発明の繊維強化プラスチック (板状体）の一例は、繊維長が 10乃至 100mmの強 化繊維が長手方向に配列された強化繊維シートとマトリックス榭脂とから構成される プリプレダまたはセミプレダを複数積層して一体ィ匕した積層体を得て、前記積層体を 、金型温度 Tが実質的に一定である金型内で、加圧して賦形および固化せしめ、金 型温度 τを保ったまま脱型することにより製造される。
[0066] マトリックス榭脂が熱硬化性榭脂であると、繊維長が 10乃至 100mmの強化繊維シ ートを、プリプレダまたはセミプレダとして取り扱う場合の取り扱い性が良ぐまた、マト リックス榭脂の粘度も、熱可塑性榭脂の場合よりも低く設定出来、強化繊維層が容易 に流動出来るような材料設計が、し易くなる。その結果、所望とする突起部を板状体 に容易に形成することが出来る。 [0067] 熱硬化性榭脂としては、エポキシ榭脂、不飽和ポリエステル榭脂、ビニルエステル 榭脂、フエノール榭脂、アクリル榭脂などが挙げられ、それらの混合樹脂であっても差 し支えない。中でも、熱硬化性榭脂としては、力学特性に優れる繊維強化プラスチッ クが得られるエポキシ榭脂がとりわけ好ましい。
[0068] プリプレダとは、強化繊維にマトリックス榭脂を完全に、セミプレダとは、部分的に含 浸せしめた半硬化状態の中間基材である。繊維が長手方向に分断されて 、る強化 繊維シートをプリプレダあるいはセミプレダの形態で取り扱うと、その取り扱いが、極め て容易となる。また、一方向に引き揃えられた多数本の強化繊維とマトリックス榭脂か らなる一方向プリプレダシート、または、一方向セミプレダシートは、これらの複数枚を 強化繊維の配列方向が異なるように積層状態を調整することにより、容易に、所望と する特性を有する積層体あるいは板状体の設計が出来る。強化繊維の配列方向が 一方向であるゆえに、プリプレダの強化繊維含有率を高めることが容易で、強化繊維 のクリンプによる強度低下も防ぐことが出来る。そのため、プリプレダあるいはセミプレ グの使用は、高強度、高弾性率を有する繊維強化プラスチックを作製するには、適し ていると云える。
[0069] プリプレダまたはセミプレダは、オートクレーブ成形、オーブン成形、あるいは、プレ ス成形における加圧および加熱工程、更に、マトリックス榭脂の固化工程を経て、繊 維強化プラスチックに加工される。
[0070] これらの成形方法の中でも、生産性および成形性を考慮すると、プレス機を用いた プレス成形方法が好ましく用いられる。プレス成形方法は、他の成形方法に比べ、成 形前の下準備、更には、成形後の後処理も簡便なため、圧倒的に生産性に優れる。 更に、マトリックス榭脂が熱硬化性榭脂である場合は、金型温度 Tを実質的に一定に 保ったまま脱型することが可能である。従って、マトリックス榭脂が熱可塑性榭脂の場 合に必要となる金型の冷却工程を、マトリックス榭脂が熱硬化性榭脂である場合は、 省くことが可能となる。すなわち、加熱、加圧成形工程終了後、金型の冷却を待たず に、成形された板状体を金型から脱型することが可能であり、マトリックス榭脂として熱 硬化性榭脂を用いれば、所望とする板状体の大幅な生産性の向上力あたらされる。 金型温度 Tが実質的に一定とは、金型温度の変動が ± 10°Cの範囲内であることを 云う。
[0071] 本発明の繊維強化プラスチック (板状体）は、金型温度 Tと、熱硬化性榭脂の示差 走査熱量測定 (DSC)に拠る発熱ピーク温度 Tpとが、次の関係式 (I)
Τρ-60≤Τ≤Τρ + 20 · · · (I)
を満足する条件で製造されることが好ま ヽ。次の関係式 (II)
Τρ- 30≤Τ≤Τρ - - - (II)
を満足することが、更に好ましい。
[0072] 金型温度 Τが、 Tp— 60より低い場合、榭脂の硬化に要する時間が非常に長くなり 、また、硬化が不十分である場合もある。一方、 Tp + 20より高い場合、榭脂の急激な 反応により、榭脂内部でのボイドの生成、硬化不良を引き起こすため好ましくない。な お、 DSCに拠る発熱ピーク温度 Tpは、昇温速度 10°CZ分の条件にて測定した値で ある。
[0073] 本発明の繊維強化プラスチック (板状体)は、熱硬化性榭脂の動的粘弾性測定 (D MA)に拠る最低粘度が 0. 1乃至 lOOPa' sの条件で製造されることが好ましい。更に 好ましくは、 0. 1乃至 lOPa' sである。最低粘度が 0. lPa' sより小さい場合、加圧時 に榭脂のみが流動し、突起部の先端まで十分に強化繊維が充填されな 、場合があ る。一方、 lOOPa' sより大きい場合、榭脂の流動性が乏しいため、突起部の先端まで 十分に強化繊維および樹脂が充填されない場合がある。なお、 DMAに拠る最低粘 度は、昇温速度 1. 5°CZ分の条件にて測定した値である。
[0074] 本発明にお 、て用いられる一定方向に配列した繊維長 10乃至 100mmの強化繊 維が長手方向に配列された強化繊維シートの態様としては、例えば、牽切紡などの 紡績手段によって得られる不連続状の強化繊維をシートィ匕した態様であってもよいし (態様 A)、不連続状の強化繊維 (例えば、チョップドファイバー）を一方向に配列させ てシートィ匕した態様であってもよいし (態様 B)、あるいは、連続状の強化繊維で構成 される一方向プリプレダシートの全面に強化繊維を横切る方向に断続的な有限長の 切り込みを入れた態様であってもよ!、（態様 C)。
[0075] 牽切紡とは、ストランド状態の連続繊維に張力をかけることにより、繊維を短繊維の 単位で切断する紡績方法の 1つであり、短繊維の切断点が一箇所に集まらないで、 ストランドの全長にわたって均等に分散すると云う特徴を有する。態様 Aは、強化繊 維の切断端を単繊維の単位で揃わな ヽようにランダムに配置して集合体を形成する ものであり、強化繊維が、単繊維の単位で流動するため、成形性に僅か〖こ劣る力 応 力伝達が非常に効率良くなされるため、極めて高い力学特性の発現を可能とし、強 化繊維の切断箇所が分散しているため、優れた品質安定性の実現を可能とする。
[0076] 態様 Bは、強化繊維の切断端を複数の繊維の単位で揃えて、ある程度は規則正し く配置して集合体を形成するものであり、必然的に強化繊維の配置、分布ムラなどを 生じるため、品質安定性は僅かに劣るが、複数の繊維の単位で流動するため、極め て優れた成形性の実現を可能とする。
[0077] 態様 Cは、強化繊維の切断端を複数の繊維の単位で揃えて、規則正しく配置して 集合体を形成するものであり、強化繊維が規則正しく配置しているため、品質安定性 および力学特性に優れ、複数の繊維の単位で流動するため、成形性にも優れている
[0078] 上記の各態様は、用途に応じて適宜選択することが出来るが、中でも力学特性と成 形性とのバランスに優れ、簡易に製造することが出来る態様 C力 本発明において、 最も好ましい態様と云える。
[0079] 一定方向に配列された多数本の強化繊維を、繊維長 10乃至 100mmを有する強 化繊維が長手方向に配列された強化繊維シートにするために、強化繊維を切断する ための切り込みを強化繊維に入れる方法としては、一定方向に配列された多数本の 強化繊維と榭脂とからなる一方向プリプレダシートまたは一方向セミプレダシートなど の中間基材に、カッターを用いての手作業により、あるいは、裁断機を用いての機械 的作業により、切り込みを入れる方法 (方法 A)、前記中間基材を、所定の位置に刃 が配置されている打ち抜き刃により打ち抜く方法 (方法 B)、あるいは、前記中間基材 の製造工程において、所定の位置に刃が配置されている回転ローラにより、連続的 に切り込みを入れる方法 (方法 C)などがある。
[0080] 簡易に強化繊維を切断する場合には、方法 Aが、生産効率を考慮し、大量に作製 する場合には、方法 B、更に大量生産する場合には、方法 Cが適している。
[0081] 本発明において用いられる強化繊維としては、炭素繊維が好ましい。炭素繊維は、 低比重であり、し力も、比強度および比弾性率において特に優れた性質を有しており 、更に、耐熱性ゃ耐薬品性にも優れていることから、軽量ィ匕が望まれる自動車パネル などの部材に好適である。中でも、高強度の炭素繊維が得られ易い PAN系炭素繊 維が好ましい。
[0082] 本発明の繊維強化プラスチック (板状体)の用途としては、強度、剛性、軽量性が要 求される、自転車のクランクやフレームなどの部材、ゴルフクラブのシャフトやヘッドな どのスポーツ部材、ドア、シート、メンバー、モジュールあるいはフレームなどの自動 車部材、ロボットアームなどの機械部品がある。中でも、強度、軽量に加え、部材形 状が複雑で、他の部材との間で形状追従性が要求される、シートパネル、シートフレ ーム、フロントエンドモジュールあるいはドアインナーモジュールなどの自動車部材、 クランクなどの自転車部材に好ましく用いられる。
[0083] 次に、実施例および比較例を用いて、本発明を更に説明する力 本発明は、特に これに限定されるものではない。
[0084] 一方向プリプレダシートの作製方法：
次の手順にてエポキシ榭脂組成物を得た。
[0085] (a)エポキシ榭脂（ジャパンエポキシレジン (株)製"ェピコート（登録商標） "828： 30 重量部、ェピコート 1001 : 35重量部、ェピコート 154 : 35重量部）と、熱可塑性榭脂 ポリビュルホルマール (チッソ (株)製"ビ-レック (登録商標） "K) 5重量部とを、 150 乃至 190°Cに加熱しながら 1乃至 3時間攪拌し、ポリビュルホルマールを均一に溶解 した。
[0086] (b)榭脂温度を 55乃至 65°Cまで降温した後、硬化剤ジシアンジアミド (ジャパンェ ポキシレジン (株)製 DICY7) 3. 5重量部と、硬化促進剤 3—（3, 4—ジクロ口フエ- ル）— 1, 1—ジメチルゥレア (保土谷ィ匕学工業 (株)製 DCMU99) 4重量部とをカロえ、 該温度で 30乃至 40分間混練後、ニーダ一中から取り出してエポキシ榭脂組成物を 得た。
[0087] 得られたエポキシ榭脂組成物を、リバースロールコーターを使用し離型紙上に塗布 し、榭脂フィルムを作製した。
[0088] 次に、シート状に一方向に配列させた炭素繊維（引張強度 4, 900MPa、引張弾性 率 235GPa)に榭脂フィルム 2枚を炭素繊維の両面カゝら重ね、加熱し、加圧して榭脂 組成物を含浸させ、炭素繊維目付 150gZm2、榭脂重量分率 33%の一方向プリプ レグシートを作製した。
[0089] 得られたエポキシ榭脂組成物の DSCに拠る発熱ピーク温度 Tpは、 152°Cであった 。測定装置としては、ティー'エイ'インスツルメンッ社製 DSC2910 (品番）を用いて、 昇温速度 10°CZ分の条件にて測定した。
[0090] DMAに拠る最低粘度は、 0. 5Pa' sであった。測定装置としては、ティー'エイ'イン スツルメンッ社製動的粘弾性測定装置" ARES"を用いて、昇温速度 1. 5°CZ分、振 動周波数 0. 5Hz、パラレルプレート（直径 40mm)の条件にて、温度と粘度の関係曲 線から最低粘度を求めた。
[0091] 力学特性評価方法：
3点曲げ試験による曲げ剛性測定により力学特性を評価した。リブを有する成形体 より、リブが、試験片長手方向に連続し、かつ、試験片中央部となるように、長さ 100 ± lmm、幅 30±0. 2mmの形状に切り出し試験片を得た。
[0092] 得られた試験片をリブを下向き (支点側）とし、支点間距離を 80mmとし、支点が板 状部で支持されるように調整した。測定装置としては、インストロン社製万能試験機 4 208型を用いて、クロスヘッド速度 2. OmmZ分の条件により 3点曲げ試験を行った。 測定した試験片の数は n= 5とした。得られた荷重一たわみ曲線より、曲げ剛性を算 出し、その値を試験片重量で除した値 (比曲げ剛性）により評価を行った。
実施例 1
[0093] 上記のプリプレダの作製方法により、図 6に示す一方向プリプレダシート 11を用意 した。図 6において、この一方向プリプレダシート 11における多数本の強化繊維の配 列方向（繊維長手方向）が、矢印 9 (図 6において上下方向）で示され、強化繊維の配 列方向に直交する方向（繊維直交方向）が、矢印 10 (図 6において、左右方向）で示 される。一方向プリプレダシート 11に、自動裁断機を用いて、図 6に示すような等間 隔で規則的な切り込み 12を、繊維直交方向に連続的に挿入した。図 6において、各 切り込みの幅 aは、 10mmであり、繊維長手方向における各切り込み間隔（ピッチ) b、 すなわち、強化繊維の分断された長さは、 30mmであり、繊維直交方向において隣 接する切り込み間の間隔 cは、 10mmとした。
[0094] このようにして用意した一方向プリプレダシート 11から、 1枚の大きさ力 300 X 300 mmのプリプレダ基材、 16枚を切り出した。これらを、全体が疑似等方（[+45Z0Z -45/90] )になるように積層し、プリプレダ積層体を用意した。プリプレダ積層体
2S
に積層されているプリプレダ基材は、 16枚であるが、中央層の 90度層では繊維方向 が同一で 2枚重なるため、積層数は 15層として扱う。
[0095] 図 7に示す突起部 (リブ)形成用の溝 (リブ溝） 14が間隔をおいて 2本設けられた図 8に示す金型を用意した。図 8において、金型 13Aは、 2本のリブ形成用の溝 14A1、 14A2を有する。この金型 13Aを、次に説明する上金型として用いる。
[0096] 上記において用意したプリプレダ積層体を、 300 X 300mmの面を有する下金型の 上に収容した後、上記の上金型 13Aを取り付けた加熱型プレス成形機により、加圧 力 6MPaの加圧、加熱温度 150°Cの加熱、成形時間 30分の成形条件により、プリプ レグ積層体を、加熱、加圧、賦形処理し、マトリックス榭脂を硬化せしめ、リブを有する 平板状の成形体 (板状体)を得た。
[0097] 得られた板状体は、板状部の厚さ Itが、 2. Ommであり、リブの先端まで強化繊維 が充填しており、リブの断面を観察したところ、図 1に示すように、リブには、積層構造 が形成されており、その積層構造における強化繊維は、板状部の積層構造における 強化繊維から連続しており、リブを形成する 8層が、リブの形状に沿った形状、すなわ ち、リブの両側面および上面と対応する形状を有する層として位置していることが確 f*i¾ れ 。
[0098] 3点曲げ試験の結果、得られた板状体の比曲げ剛性は、 1 , 100 (kN · mm g)と 、非常に高い値を示した。
実施例 2
[0099] 上金型の突起部形成用の溝の位置を、図 9に示す十字形状の溝 14B1、 14B2に 変更した上金型 13Bを用いた以外は、実施例 1と同様にして、成形体 (板状体)を作 製した。
[0100] 得られた板状体は、板状部の厚さ Itが、 2. Ommであり、リブの先端まで強化繊維 が充填しており、リブの断面を観察したところ、図 1に示すように、リブには、積層構造 が形成されており、その積層構造における強化繊維は、板状部の積層構造における 強化繊維から連続しており、リブの 8層が、リブの形状に沿った形状、すなわち、リブ の両側面および上面と対応する形状を有する層として位置していることが確認された
[0101] 3点曲げ試験の結果、得られた板状体の比曲げ剛性は、 1, 050 (kN-mm g)と 、非常に高い値を示した。
比較例 1
[0102] 一方向プリプレダシートに切り込みを挿入しないこと以外は、実施例 1と同様にして 、平板状の成形体 (板状体)を得た。
[0103] 得られた板状体は、板状部の厚さ力 2. 3mmであり、リブにおいては、 5割程度の 部分において、強化繊維の充填が欠落していた。リブの断面を観察したところ、形成 されたリブのうち 8割程度の部分は、榭脂により形成されており、リブの積層構造を構 成する強化繊維層が、リブの形状に沿った形状になっていないことが、判明した。
[0104] 3点曲げ試験の結果、得られた板状体の比曲げ剛性は、 150 (kN · mm g)と、非 常に低い値を示した。
比較例 2
[0105] 突起部形成用の溝を有さない上金型を用いた以外は、実施例 1と同様にして、平 板状の成形体 (板状体)を得た。
[0106] 得られた板状体の厚さは、 2. 4mmであった。得られた板状体から、幅 10mmの板 状片を 2本切り出した。次いで、実施例 1の板状体と同様の形状とすべぐ 2液型ェポ キシ系接着剤を用いて、この比較例で得られた板状体の表面に、前記 2本の板状片 を接合し、リブを有する平板状の板状体を作製した。なお、接合部の接着を高めるた めに、板状片を接着する前に、接着させる部分に、サンドブラスト処理を施した。
[0107] 得られたリブを有する板状体の片側のリブの近傍の縦断面図力 図 10に示される。
図 10において、板状体 101は、板状部 101a、 101b,および、板状片の接着により 形成された突起部（リブ） 102aからなる。板状部 101a、 101bは、マトリックス榭脂が 共存する強ィ匕繊維層 103a、 103b, 103c, 103d, 103e、 103f、 103g、 103hで形 成されている。 [0108] リブ 102aの断面を観察したところ、図 10に示すように、リブ 102aは、積層構造を有 するが、リブ 102aの積層構造における強化繊維と板状部 101a、 101bの積層構造 における強化繊維とは、連続しておらず、更に、リブ 102aの先端で、積層構造を形 成する各層の連続性がそれぞれ途絶えており、各層は、リブ 102aの形状に沿った形 状になっていなかった。
[0109] 3点曲げ試験の結果、試験開始後、直ぐに、リブ 102aが板状部 101aから剥離して しまい、板状体 10の比曲げ剛性は、 80 (kN 'mm2Zg)と、非常に低い値を示した。 比較例 3
[0110] 実施例 1において用意したプリプレダ基材を、 [ +45/0/-45/90] となるよう
2 に、 8枚積層し、プリプレダ積層体 Aを作製した。作製したプリプレダ積層体 Aから、 3 00 X 20mmの大きさのプリプレダ積層体 Bを、 2体切り出した。
[0111] 次いで、得られた 2つのプリプレダ積層体 Bを、それぞれの 90度層が内側となるよう に、半分に折り返し、折り返した側を溝の先端となるように、実施例 1と同様の上金型 の溝に挿入した後、プリプレダ積層体 Aを、 300 X 300mmの面を有する下金型の上 に配置した後、実施例 1と同様の条件により、リブを有する平板状の成形体 (板状体） を作製した。
[0112] 作製された板状体の片側のリブの近傍の縦断面図が、図 11に示される。図 11にお いて、板状体 111は、板状部 l l la、 111b,および、突起部（リブ） 112aからなる。板 状部 11 laは、マトリックス榭脂が共存する強化繊維層 113a、 113b, 113c, 113d、 113e、 113f、 113g、 113h力ら形成されて!/ヽる。
[0113] リブ 112aの断面を観察したところ、図 11に示すように、リブ 112aは、積層構造を有 し、 8層が、リブ 112aの形状に沿った形状を有している力 リブ 112aの積層構造に おける強化繊維と板状部 11 laの積層構造における強化繊維とは、連続して!/ヽなか つた o
[0114] 3点曲げ試験の結果、試験開始後、直ぐに、リブ 112aが板状部 11 laから剥離して しまい、板状体 11の比曲げ剛性は、 100(kN'mm2Zg)と、非常に低い値を示した 比較例 4 [0115] 実施例 1で用いた一方向プリプレダシートと同様の炭素繊維 (フィラメント数 12, 00 0本）、および、エポキシ榭脂組成物を用いて、繊維長 25mm、炭素繊維目付 750g 榭脂重量分率 50%の SMCシートを作製した。 SMCシートを 300 X 300mm の大きさに切り出し、それらを 2枚積層し、実施例 1と同様の条件により、 2本の直線 状のリブを有する平板状の成形体 (板状体)を作製した。
[0116] 得られた板状体は、板状部の厚さ力 2. 0mmであり、リブの先端まで繊維が充填 していたが、リブの断面を観察したところ、強化繊維がそれぞれ独立してランダムに 配向されて積み重なっており、板状部およびリブのそれぞれにおいて、それぞれの 厚み方向に、強化繊維の明確な層を形成して ヽなカゝつた。
[0117] 3点曲げ試験の結果、得られた板状体の比曲げ剛性は、 250 (kN-mm g)と、低 い値を示した。
産業上の利用可能性
[0118] 本発明の繊維強化プラスチックは、板状部と突起部との積層構造を構成する各層 力 ともに不連続の強化繊維を含み、かつ、強化繊維の少なくとも一部が板状部から 突起部に亘つて連続しており、突起部の積層構造を構成する層の少なくとも 1つが、 突起部の形状に沿った形状を有している。この構造により、本発明の繊維強化プラス チックにおける突起部は、所望とする力学特性を有する。
[0119] 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法によれば、特に、構造部材の構成上重 要となるリブあるいはボスなどの突起部の力学特性の製造過程における低下が最小 限に抑えられ、かつ、簡易に繊維強化プラスチックを製造することが出来る。
[0120] 本発明の繊維強化プラスチックは、例えば、輸送機器 (自動車、航空機、艦艇など） の構造部材、産業機械の構造部材、精密機器の構造部材、あるいは、スポーツ用具 (自転車、ゴルフなど）の構造部材として好ましく用いられる。

Claims

請求の範囲
[1] 板状部と該板状部の少なくとも片側の面力 隆起した突起部を有する板状体力 な り、前記板状部および前記突起部が、多数本の強化繊維と、該多数本の強化繊維と 一体となったマトリックス榭脂とからなる繊維強化プラスチックにおいて、
(a)前記板状部および前記突起部における前記多数本の強化繊維が、それぞれ における多数本の強化繊維の配列方向が異なる少なくとも 2つの強化繊維層からな り、
(b)前記各強化繊維層における前記多数本の強化繊維のそれぞれの繊維長が、 1 0乃至 100mmであり、
(c)前記各強化繊維層の少なくとも一部の強化繊維が、前記板状部から前記突起 部に亘つて連続して位置し、かつ、
(d)前記突起部における前記少なくとも 2つの強化繊維層の少なくとも 1つの強化 繊維層が、前記突起部の形状に沿った形状を有している繊維強化プラスチック。
[2] 前記板状部が、前記突起部が位置する面とは反対側の面において一体化された 強化繊維基層を含み、かつ、該強化繊維基層における強化繊維が、多数本の連続 した強化繊維力 なる請求項 1に記載の繊維強化プラスチック。
[3] 前記突起部の厚みが、前記板状部の厚みの 0. 1乃至 4倍である請求項 1に記載の 繊維強化プラスチック。
[4] 前記突起部の高さが、前記板状部の厚みの 0. 2乃至 50倍である請求項 1に記載 の繊維強化プラスチック。
[5] 前記突起部の横断面形状が、四角形あるいは円形である請求項 1に記載の繊維強 化プラスチック。
[6] 前記マトリックス榭脂が、熱硬化性榭脂である請求項 1に記載の繊維強化プラスチ ック。
[7] 前記強化繊維が、炭素繊維である請求項 1に記載の繊維強化プラスチック。
[8] 板状部と該板状部の少なくとも片側の面力 隆起した突起部を有する板状体力 な り、前記板状部および突起部が、多数本の強化繊維と、該多数本の強化繊維と一体 となったマトリックス榭脂とからなる繊維強化プラスチックの製造方法において、 (a)それぞれの繊維長が 10乃至 100mmの多数本の強化繊維が一方向に順次配 列された強化繊維シートと該強化繊維シートの全体に、あるいは、部分的に含浸した 未硬化状態のマトリックス榭脂とからなる少なくとも 2枚のプリプレダ基材が、前記強化 繊維の配列方向が異なる状態で積層されてなるプリプレダ積層体を用意する積層体 準備工程と、
(b)前記突起部を形成するための凹部を有する一方の金型と、該金型との間で前 記板状部を形成する他方の金型とからなる前記板状体を成形する成形装置を用意 する成形装置準備工程と、
(c)前記成形装置準備工程において用意された前記成形装置の前記金型間に、 前記積層体準備工程において用意された前記プリプレダ積層体を収容する積層体 収容工程と、
(d)前記積層体収容工程において前記金型内に収容された前記プリプレダ積層体 を、前記金型により加熱および加圧し、前記板状部および前記突起部の賦形を行う とともに、前記マトリクス榭脂の固化を行 ヽ前記板状体を形成する板状体形成工程と
(e)前記板状体形成工程にお!ヽて形成された板状体を、前記金型から取り出す板 状体脱型工程とからなる繊維強化プラスチックの製造方法。
[9] 前記プリプレダ積層体が、前記突起部が形成される面とは反対側の面において一 体化された強化繊維基層を含み、かつ、該強化繊維基層における強化繊維が、多 数本の連続した強化繊維力 なる請求項 8に記載の繊維強化プラスチックの製造方 法。
[10] 前記マトリックス榭脂が、熱硬化性榭脂である請求項 8に記載の繊維強化プラスチ ックの製造方法。
[11] 前記金型の温度が一定に維持されている間に、前記板状体形成工程と前記板状 体脱型工程が行われる請求項 10に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[12] 前記板状体形成工程における前記熱硬化性榭脂の粘度が、 0. 1乃至 lOOPa ' sで ある請求項 10に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[13] 前記板状体形成工程における前記金型の温度 Tと前記熱硬化性榭脂の発熱ピー ク温度 Tpと力 Tp— 60≤T≤Tp + 20の関係を満足する請求項 10に記載の繊維強 化プラスチックの製造方法。
前記積層体準備工程で用意される前記プリプレダ積層体に関して、前記 10乃至 1 OOmmの繊維長力 一方向に配列された多数本の強化繊維に、この長さの間隔で、 順次、切り込みを入れることにより創出されており、かつ、少なくとも隣接して位置する 前記プリプレダ基材間で、前記切り込みの位置および方向の一方あるいは双方が異 なっている請求項 8に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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