WO2014057606A1 - 炭素繊維強化複合材用織物およびその製造方法 - Google Patents

炭素繊維強化複合材用織物およびその製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a woven fabric for carbon fiber reinforced composite material comprising carbon fibers and thermoplastic resin fibers, and a method for producing the same.
  • Carbon fiber has high tensile strength and high tensile modulus
  • carbon fiber reinforced plastic obtained by hardening it with resin is a material having high specific strength and specific modulus. For this reason, carbon fibers are widely used as advanced composite materials in aerospace applications, automobile applications, civil engineering and construction applications, sports and leisure equipment applications, and the like.
  • thermoplastic resin There are various methods for producing a carbon fiber reinforced composite material by impregnation with a thermoplastic resin. For example, as one of them, after laminating a plurality of prepregs impregnated with a resin, it is heated to make a laminated sheet (stampable sheet), which is reheated and hot pressed with a mold. A method for producing a carbon fiber reinforced composite material is known.
  • thermoplastic resin sheet is disposed on each of the upper and lower surfaces of plain-woven carbon fibers, and the thermoplastic resin sheet is melted by heating and pressing with a hot plate from both sides of the laminate.
  • the present invention has been researched and developed with the object of solving the above-mentioned problems, and has improved strength and design while simplifying the manufacturing process and improving the handleability during molding. It aims at providing the textile fabric for fiber reinforced composite materials. It is another object of the present invention to provide a method for producing a carbon fiber reinforced composite fabric excellent in production efficiency by a simpler method than before.
  • the carbon fiber reinforced composite fabric according to the present invention is partially composed of a surface structure in which warps and wefts are carbon fibers, and a back structure in which warps and wefts are thermoplastic resin fibers. It is characterized by being connected and integrated.
  • the warp and weft are connected to the surface structure of the carbon fiber and the warp and weft are connected to the back structure of the thermoplastic resin fiber at the connection point. Therefore, the appearance of a molded product is beautiful and excellent in design.
  • the front structure and the back structure may be a plain weave structure, and the front structure and the back structure may be a 2/2 twill structure.
  • the present invention provides a method for producing a woven fabric for carbon fiber reinforced composite material, a process of weaving a surface structure with warps and wefts of carbon fibers, and a process of weaving a back structure with warps and wefts of thermoplastic resin fibers, And a step of partially weaving and bonding the carbon fibers of the tissue and the thermoplastic resin fibers of the back structure to obtain an integrated double woven fabric.
  • the surface structure in which the warp and the weft are made of carbon fiber and the back structure in which the warp and the weft are made of the thermoplastic resin fiber are connected at the connection point, It becomes a carbon fiber reinforced plastic that is united when fused with the back structure, has a beautiful appearance when molded into a molded product, has excellent design properties, and has a certain amount of resin ratio, and has excellent impact resistance and mechanical strength. It can be suitably used for aviation / space applications, automobile applications, general industrial applications, sports equipment applications, and the like.
  • the conventional prepreg production process can be omitted, and the production efficiency can be improved and the molding time can be shortened.
  • the carbon fiber reinforced composite fabric produced by combining carbon fibers and thermoplastic resin fibers in this way does not require preheating, has excellent followability to curved surfaces, and fits into the mold. Therefore, the followability to the concavo-convex portion is also improved.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a fabric for carbon fiber reinforced composite material of Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a carbon fiber reinforced composite fabric of Example 1.
  • FIG. 3 is a view showing a structure of a carbon fiber reinforced composite fabric of Example 2.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a fabric for carbon fiber reinforced composite material of Example 2.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a fabric for carbon fiber reinforced composite material of Example 2.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a carbon fiber reinforced composite fabric of Example 3.
  • FIG. 4 is a structural diagram of a fabric for carbon fiber reinforced composite material of Example 3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a carbon fiber reinforced composite fabric of Example 3.
  • a carbon fiber reinforced composite fabric according to the present invention comprises a carbon fiber fabric and a thermoplastic resin fiber fabric, and includes only thermoplastic resin fibers. Is made into a woven fabric for a reinforced composite material by melting and impregnating into carbon fibers and tightly integrating them.
  • the warp yarns B, D, F, H and the weft yarns 1, 3, 5, 7 are made of carbon fibers to form a surface structure 11 with a plain weave structure
  • the wefts 1, 3, 5, and 7 of the front structure 11 and the warps A, C, E, and G of the back structure 12 are woven together to form a connection point 9 11 is a bonded double woven fabric 13 in which 11 and a back structure 12 are integrated.
  • a PAN-based carbon fiber or a pitch-based carbon fiber can be used, but a PAN-based carbon fiber is particularly suitable for a lightweight structure.
  • Carbon fiber is usually composed of 500 to 60,000 filaments, preferably 1,000 to 24,000 filaments.
  • thermoplastic resin fiber any type of thermoplastic resin fiber can be used.
  • one type of resin selected from polyamides such as nylon 6, polyolefins, polyvinyls, polyesters, polyethers, and fluorines can be used.
  • polyamides such as nylon 6, polyolefins, polyvinyls, polyesters, polyethers, and fluorines
  • I made a prototype with nylon because it is a general-purpose product and easy to get.
  • the surface structure 11 of the present invention includes a plain weave structure in which warps and wefts made of carbon fibers are alternately interlaced one by one, or a 2/2 twill weave structure in which two warps and wefts fly two by two.
  • a satin weave structure may be used and is not particularly limited, but a plain weave structure is preferable from the viewpoint of form stability.
  • the back structure 12 is the same as the surface structure 11 in that it is a plain weave structure made of thermoplastic resin fibers and a warp and weft, or a 2/2 twill structure and satin weave structure.
  • the position where the front structure 11 and the back structure 12 are connected is preferably 1 to 10% of the entanglement point of the weft of the woven structure. If the ratio of the connection points 9 is less than 1%, the front structure 11 and the back structure 12 are not sufficiently connected, and the surface structure 11 and the back structure 12 are likely to be separated during processing, which is not suitable. Moreover, since the connection point 9 will become conspicuous in the surface structure
  • the carbon fiber reinforced composite fabric of the present invention can be produced by the method described below.
  • the bonded double woven fabric 13 composed of the front structure 11 and the back structure 12 is woven.
  • the front structure 11 is a plain weave structure using carbon fibers for both the warp and the weft.
  • Reference numeral 12 denotes a double woven fabric 13 having a plain weave structure made of thermoplastic resin fibers for both warp and weft.
  • Example 1 A carbon fiber yarn having 3000 filaments and a fineness of 200 tex is used as warp B, D, F, H and wefts 1, 3, 5 and 7 as a plain weave structure with a surface structure 11, a melting point of 215 to 220 ° C., and a fineness of 1400 dtex.
  • Nylon 6 yarns of warp yarns A, C, E, G and weft yarns 2, 4, 6, 8 as a plain weave structure 12 and a weft yarn 1, 3, 5, 7 of the front texture 11 and back fabric 12 Four places where warps A, C, E, and G are woven are designated as connection points 9, 9, 9, and 9 to obtain a bonded double woven fabric 13 in which the front structure 11 and the back structure 12 are integrated.
  • the bonded double woven fabric 13 in which the front structure 11 and the back structure 12 are integrated is heated and pressurized at 270 ° C. for 3 minutes at a pressure of 4 Mpa, so that the nylon 6 warps A, C, E, G and the wefts 2, 4 , 6 and 8 are melted and closely integrated with the carbon fiber.
  • the obtained woven fabric for carbon fiber reinforced composite material is excellent in design that reproduces the plain weave structure of carbon fiber on the surface.
  • Example 2 In Example 1, the location of the connection point 9 where the front structure 11 and the back structure 12 were integrated was 4/64, but the point of the connection point 9 was reduced to 2/64. Since the other points are all the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the carbon fiber reinforced composite fabric thus obtained has excellent inconspicuous design at the junction 9 where the flat structure of the carbon fiber is reproduced on the surface by reducing the crimp. By lowering the crimp rate, not only the strength of the carbon fiber reinforced composite fabric is improved, but also the carbon fiber reinforced composite fabric can be made thinner, leading to an increase in specific strength.
  • Example 3 In Examples 1 and 2, the surface structure 11 and the back structure 12 are shown as an example of a plain weave structure as the binding double woven fabric 13, but in this Example 3, both the front structure 11 and the back structure 12 are 2/2 twills. The only difference is the difference between the points of the structure and the point where the connection point is 2/64, and the other points are exactly the same as in the first embodiment. The description is omitted.
  • the carbon fiber reinforced composite fabric thus obtained is excellent in design that reproduces the 2/2 twill texture on the surface.
  • the woven structure of the front and back surfaces of the bonded double woven fabric has been described with the example of the plain weave structure and the twill structure, but is not limited thereto, and may be a satin weave structure, Further, it is needless to say that various shape changes can be made without departing from the gist of the present invention, which can be applied to a multi-woven structure of double or more, can achieve the object of the present invention.
  • the fabric for carbon fiber reinforced composite material of the present invention is used for molding various products and parts such as aircraft, trains and automobiles, transportation related fields, industrial machinery and equipment fields, residential building fields and general industrial fields with carbon fiber reinforced plastics. It can be suitably used as a reinforcing material for resin.

Abstract

　本発明による炭素繊維強化複合材用織物の製造方法は、炭素繊維の経糸と緯糸で製織された表組織１１と、熱可塑性樹脂繊維の経糸と緯糸で製織された裏組織１２とを接結点９で接結して一体としたものである。

Description

炭素繊維強化複合材用織物およびその製造方法
　本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維とからなる炭素繊維強化複合材用織物およびその製造方法に関するものである。
　炭素繊維は、引張強度が高くて引張弾性率も高く、それを樹脂で固めた炭素繊維強化プラスチックは比強度および比弾性率の高い材料となる。そのため、炭素繊維は先端複合材料として、航空・宇宙用途、自動車用途、土木建築用途、スポーツ・レジャー用具の用途などに広く利用されている。
　熱可塑性樹脂含浸による炭素繊維強化複合材の製法としては、種々の方法がある。例えば、その一つとして、樹脂を含浸させたプリプレグを複数枚積層した後、加熱して積層成形した素板（スタンパブルシート）を作り、これを再加熱して金型で熱間プレス成形して炭素繊維強化複合材を作成する方法が知られている。
　また、平織りされた炭素繊維の上下面にそれぞれ熱可塑性樹脂シートを配置し、これら積層体の両面から熱板で加熱加圧して熱可塑性樹脂シートを溶かしこんで製造する接合シートも開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
　さらに、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維とを混織して炭素繊維強化複合材を得る方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１－３４８１９１号公報 特開２００６－１２３４１７号公報
　しかしながら、上記の方法によれば、予めプリプレグを作成する工程および積層板の圧着工程など面倒で時間のかかる工程を要するという問題がある。
　また、炭素繊維強化プラスチックへの成形時におけるハンドリングにも問題がある。例えば、プリプレグおよびその積層板は成形型への賦形性がよくないために、事前に余熱をかけて柔らかくする工程が必要となってしまう。
　この点、特許文献２のように、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維とを混織する場合は、上述したような手間や成形時のハンドリングの問題は解消しうる。しかしながら、混織時に炭素繊維の扁平さが失われるので、炭素繊維の強度を下げてしまうだけでなく、炭素繊維強化プラスチックへの成形後の意匠性を損なうという問題がある。
　本発明は、上記のような問題点を解決することを課題として研究開発されたものであり、製造工程の簡略化と成形時のハンドリング性を向上させつつ、強度と意匠性にも優れた炭素繊維強化複合材用織物を提供することを目的とする。また、従来よりも簡単な方法で、生産効率に優れた炭素繊維強化複合材用織物の製造方法を提供することを目的とするものである。
　上記の課題を解決すべく、本発明に係る炭素繊維強化複合材用織物は、経糸と緯糸を炭素繊維とする表組織と、経糸と緯糸を熱可塑性樹脂繊維とする裏組織とを部分的に接結して一体としたことを特徴とする。
　これにより、経糸と緯糸が炭素繊維の表組織と、経糸と緯糸が熱可塑性樹脂繊維の裏組織とが接結点で繋がり、表組織と裏組織の融着時に一体となって炭素繊維の扁平さが失われないので、成型品になった際の外観が美しく意匠性に優れる。
　ここで、前記表組織と裏組織が平織組織であることを特徴とするとしてもよく、前記表組織と裏組織が２／２綾織組織であるとしてもよい。
　また、本発明は、炭素繊維強化複合材用織物の製造方法として、炭素繊維の経糸と緯糸で表組織を製織すると共に、熱可塑性樹脂繊維の経糸と緯糸で裏組織を製織する工程と、表組織の炭素繊維と裏組織の熱可塑性樹脂繊維を部分的に織り込んで接結し、一体とした接結二重織物を得る工程とを含むことを特徴とする。
　これにより、従来のプリプレグの作成工程を省略することができるので、ひいては、生産効率の向上が実現可能となる。
　以上、本発明に係る炭素繊維強化複合材用織物によれば、経糸と緯糸が炭素繊維からなる表組織と、経糸と緯糸が熱可塑性樹脂繊維からなる裏組織が接結点で繋がり、表組織と裏組織の融着時に一体となり、成型品になった際の外観が美しく意匠性に優れると共に、一定量の樹脂比率になり、耐衝撃性や機械的強度にも優れた炭素繊維強化プラスチックとなり、航空・宇宙の用途、自動車の用途、一般産業の用途、スポーツ用具の用途などに好適に用いることができる。
　また、本発明に係る炭素繊維強化複合材用織物の製造方法によれば、従来のようなプリプレグの作成工程を省略でき、生産効率の向上と成形時間の短縮化を図ることができる。さらに、このようにして製造され、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維とを一体とした炭素繊維強化複合材用織物は、予備加熱を必要とせず、曲面への追随性に優れ、成形型への馴染みが良いことから凹凸部への追随性も良くなる。
本発明の実施例１に係る炭素繊維強化複合材用織物の構造を示す図である。 実施例１の炭素繊維強化複合材用織物の組織図である。 実施例１の炭素繊維強化複合材用織物の断面図である。 実施例２の炭素繊維強化複合材用織物の構造を示す図である。 実施例２の炭素繊維強化複合材用織物の組織図である。 実施例２の炭素繊維強化複合材用織物の断面図である。 実施例３の炭素繊維強化複合材用織物の構造を示す図である。 実施例３の炭素繊維強化複合材用織物の組織図である。 実施例３の炭素繊維強化複合材用織物の断面図である。
　以下、本発明の実施形態について説明する。
　本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明すれば、本発明に係る炭素繊維強化複合材用織物は、炭素繊維織物と熱可塑性樹脂繊維織物とからなるものであって、熱可塑性樹脂繊維のみを溶融させて炭素繊維に含浸させ密着一体化することにより、強化複合材用織物としたものである。
　すなわち、経糸Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈおよび緯糸１，３，５，７を炭素繊維として平織組織で表組織１１とすると共に、経糸Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇおよび緯糸２，４，６，８を熱可塑性樹脂繊維で平織組織の裏組織１２とし、表組織１１の緯糸１，３，５，７および裏組織１２の経糸Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇが織りこまれ接結点９となり表組織１１と裏組織１２が一体化した接結二重織物１３である。
　ここで用いる炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維のいずれも使用できるが、特に軽量構造用にはＰＡＮ系炭素繊維が適している。
　炭素繊維は、通常５００～６０，０００本、好ましくは１，０００～２４，０００本のフィラメントから構成されている。
　次に、ここで用いる熱可塑性樹脂繊維としては、熱可塑性樹脂の繊維であればいずれの種類でも使用可能である。例えば、ナイロン６などのポリアミド系、ポリオレフィン系、ポリビニール系、ポリエステル系、ポリエーテル系、フッ素系などから選ばれた１種の樹脂を用いることができる。その中でも汎用品であり手に入れやすいことからナイロンで試作をした。
　本発明の表組織１１としては、炭素繊維からなる経糸と緯糸が１本毎に交互に交錯される平織組織または経糸と緯糸ともに２本ずつ飛んで２本ずつ潜るという２／２の綾織組織あるいは朱子織組織でもよく、特に限定するものではないが、形態安定性の点から平織組織が好ましい。また、裏組織１２については、熱可塑性樹脂繊維からなる経糸と緯糸による平織組織、あるいは２／２の綾組織、朱子織組織とするのは表組織１１と同様である。
　表組織１１と裏組織１２を接結する箇所は、織組織の経緯糸の交絡点の１～１０％が好適である。接結点９の比率が１％より少なくなると表組織１１と裏組織１２の接結が十分でなくなり、加工中に表組織１１と裏組織１２の分離が生じやすくなり適さない。また、接結点９の比率が１０％を超えると表組織１１で接結点９が目立つことになり、外観の意匠性を損なうおそれがあって適さないことから上記範囲が好適である。
　つぎに、本発明の炭素繊維強化複合材用織物は、下記に説明する方法により製造することができる。すなわち、表組織１１と裏組織１２とからなる接結二重織物１３を製織することになるが、その際、表組織１１は経糸と緯糸ともに炭素繊維を用いて平織組織とする一方、裏組織１２は経糸と緯糸ともに熱可塑性樹脂繊維で平織組織とした接結二重織物１３とするものである。
（実施例１）
　フィラメント数が３０００本、繊度が２００ｔｅｘの炭素繊維糸を経糸Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈおよび緯糸１，３，５，７として平織組織で表組織１１と、融点が２１５～２２０℃、繊度が１４００ｄｔｅｘのナイロン６糸を経糸Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇおよび緯糸２，４，６，８として平織組織で裏組織１２とすると共に、表組織１１の緯糸１，３，５，７および裏組織１２の経糸Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇが織りこまれた４箇所を接結点９，９，９，９とし、表組織１１と裏組織１２が一体化した接結二重織物１３を得る。この表組織１１と裏組織１２が一体化した接結二重織物１３を２７０℃×３分・圧力４Ｍｐａで加熱加圧することにより、ナイロン６の経糸Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇおよび緯糸２，４，６，８が溶融して炭素繊維に密着一体化する。得られた炭素繊維強化複合材用織物は、炭素繊維の平織組織を表面に再現した意匠性に優れたものになる。
（実施例２）
　実施例１では、表組織１１と裏組織１２を一体とする接結点９の箇所が４／６４であったが、その接結点９の箇所を減らして２／６４にした点が異なっているだけであり、その他の点は実施例１と全て同じであることから、同一部分については同一符号を付し説明は省略する。このようにして得られた炭素繊維強化複合材用織物は、接結クリンプが減少することにより炭素繊維の平組織を表面に再現した接結点９の目立たない意匠性に優れたものになる。このクリンプ率を下げることにより、炭素繊維強化複合材用織物の強度が向上するばかりでなく、炭素繊維強化複合材用織物をより薄くすることができ比強度の向上に繋がるものである。
（実施例３）
　実施例１，２では接結二重織物１３として、表組織１１および裏組織１２を平織組織の例で示したが、この実施例３においては、表組織１１、裏組織１２ともに２／２綾織組織とした点の違いと、接結点の箇所を２／６４とした点の違いだけであり、その他の点は実施例１と全くの同じであることから、同一部分については同一符号を付し説明は省略する。このようにして得られた炭素繊維強化複合材用織物は、２／２綾織組織を表面に再現した意匠性に優れたものになる。
　以上、本発明の実施例においては、接結二重織物の表面および裏面の織り組織を平織組織と綾織組織の例で説明したが、これに限定されるものではなく、朱子織組織でもよく、また、二重以上の多重織組織でも適用でき、本発明の目的を達成でき、かつ本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の設形変更が可能であるのは言うまでもない。
　本発明の炭素繊維強化複合材用織物は、航空機、列車、自動車などの輸送関連分野、産業機械設備分野、住宅建築分野および一般産業分野などの各種製品、部品を炭素繊維強化プラスチックで成形する時に樹脂の補強材として好適に利用できるものである。

Claims (4)

  1. 　経糸と緯糸を炭素繊維とする表組織と、経糸と緯糸を熱可塑性樹脂繊維とする裏組織とを部分的に接結して一体とした
    ことを特徴とする炭素繊維強化複合材用織物。
  2. 　前記表組織と裏組織が平織組織である
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の炭素繊維強化複合材用織物。
  3. 　前記表組織と裏組織が２／２綾織組織である
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の炭素繊維強化複合材用織物。
  4. 　炭素繊維の経糸と緯糸で表組織を製織すると共に、熱可塑性樹脂繊維の経糸と緯糸で裏組織を製織する工程と、
    　表組織の炭素繊維と裏組織の熱可塑性樹脂繊維を部分的に織り込んで接結し、一体とした接結二重織物を得る工程とを含む
    　ことを特徴とする炭素繊維強化複合材用織物の製造方法。
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