WO2020100797A1 - 紡績糸 - Google Patents

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WO2020100797A1
WO2020100797A1 PCT/JP2019/044075 JP2019044075W WO2020100797A1 WO 2020100797 A1 WO2020100797 A1 WO 2020100797A1 JP 2019044075 W JP2019044075 W JP 2019044075W WO 2020100797 A1 WO2020100797 A1 WO 2020100797A1
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fiber bundle
bundle layer
spun yarn
fiber
fibers
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PCT/JP2019/044075
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Inventor
富岡宏匡
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株式会社豊田自動織機
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    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D02G3/04—Blended or other yarns or threads containing components made from different materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/38—Threads in which fibres, filaments, or yarns are wound with other yarns or filaments, e.g. wrap yarns, i.e. strands of filaments or staple fibres are wrapped by a helically wound binder yarn

Definitions

  • the present invention relates to a spun yarn made of discontinuous reinforcing fibers.
  • Fiber-reinforced composite materials are widely used as lightweight structural materials.
  • the fiber reinforced composite material is formed by impregnating and curing a matrix resin in a fiber structure.
  • the reinforcing fiber yarn forming the fibrous structure include a spun yarn formed by bundling discontinuous reinforcing fibers such as carbon fibers and glass fibers.
  • the composite spun yarn of Patent Document 1 is obtained by winding a continuous filament around the outer peripheral portion of a non-twisted short fiber bundle containing discontinuous reinforcing fibers such as carbon fibers and glass fibers.
  • the fiber structure may be pressed to increase the fiber volume content in the matrix resin of the fiber-reinforced composite material or for the purpose of shaping. At this time, as the fiber structure is pressed, spun yarns that are adjacently arranged in the fiber structure are pressed against each other and bent, so that the spun yarn that is oriented with straightness is meandering.
  • An object of the present invention is to provide a spun yarn capable of suppressing meandering due to pressurization.
  • a spun yarn for solving the above problems is a spun yarn composed of discontinuous reinforcing fibers, which is closer to the center side of the spun yarn than a first fiber bundle layer composed of the discontinuous reinforcing fibers,
  • the gist of the present invention is to have a second fiber bundle layer that is composed of the discontinuous reinforcing fibers and that is more likely to be deformed toward the center of the spun yarn than the first fiber bundle layer.
  • the fiber structure is pressed by closing the mold or shaped into a desired shape. It is pressurized to do so. During this pressurization, spun yarns adjacent to each other in the fibrous structure are pressed against each other, and the spun yarns are pressed toward the center. At this time, in each spun yarn, the first fiber bundle layer and the second fiber bundle layer are pressed, but the second fiber bundle layer is more easily deformed than the first fiber bundle layer. The deformation of the fiber bundle layer is absorbed by the second fiber bundle layer. As a result, the second fiber bundle layer can prevent all the discontinuous reinforcing fibers constituting the spun yarn from bending, and can suppress the meandering of the spun yarn due to the pressure.
  • the second fiber bundle layer has a lower fiber volume content than the first fiber bundle layer. According to this, as compared with the first fiber bundle layer, the second fiber bundle layer has more gaps between the discontinuous reinforcing fibers and has a lower fiber volume content. Therefore, when the spun yarn is pressed, the second fiber bundle layer is more likely to be deformed in the center direction of the spun yarn by using the gap, and the spun yarn can be prevented from bending.
  • the spun yarn may include a shape-maintaining fiber bundle that is wound around the outer peripheral surface of the outermost first fiber bundle layer. According to this, the outermost layer is prevented from peeling off due to the shape-maintaining fiber bundle. Further, the shape-maintaining fiber bundle can maintain the shape of the spun yarn, and can prevent the outermost layer from peeling off even when the spun yarn is woven.
  • the spun yarn may be provided with the second fiber bundle layer along the central axis of the spun yarn. According to this, even if the spun yarn is pressed from any position in the circumferential direction, it is possible to prevent the spun yarn from bending due to the deformation of the second fiber bundle layer.
  • Sectional drawing which shows the spun yarn of embodiment typically.
  • the figure which shows the spun yarn of embodiment typically.
  • the figure which shows a fiber-reinforced composite material typically.
  • (A) is a cross-sectional view showing a state in which a fiber structure is arranged in a cavity
  • (b) is a cross-sectional view showing a state in which a mold is closed.
  • A) is a figure which shows typically the spun yarns before pressurization
  • (b) is a figure which shows the spun yarns after pressurization typically
  • (c) schematically shows the spun yarns of a comparative example FIG.
  • the figure which shows the spun yarn of another example typically.
  • the spun yarn 11 has a second fiber bundle layer 12 closer to the center of the spun yarn 11 than the first fiber bundle layer 13 forming the outermost layer. That is, the spun yarn 11 has the second fiber bundle layer 12 along the central axis L of the spun yarn 11 and also has the first fiber bundle layer 13 that covers the second fiber bundle layer 12.
  • the spun yarn 11 also has a shape-maintaining fiber bundle 14 wound around the first fiber bundle layer 13.
  • the direction in which the central axis L extends is the axial direction, and the direction from the outside of the spun yarn 11 toward the central axis L is the central direction.
  • the spun yarn 11 may be referred to as a radial direction including both the direction outward from the central axis L and the above-described central direction.
  • the spun yarn 11 has a second fiber bundle layer 12 closer to the center of the spun yarn 11 than the first fiber bundle layer 13.
  • the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 are each composed of a plurality of discontinuous reinforcing fibers 15.
  • the discontinuous reinforcing fibers 15 organic fibers or inorganic fibers may be used, or different types of organic fibers, different types of inorganic fibers, or mixed fiber obtained by mixing organic fibers and inorganic fibers may be used.
  • Organic fibers include acrylic fibers, nylon fibers, polyester fibers, aramid fibers, poly-p-phenylene benzobisoxazole fibers, ultra high molecular weight polyethylene fibers, and the like
  • inorganic fibers include carbon fibers, glass fibers, ceramic fibers. Etc.
  • the first fiber bundle layer 13 covers the entire circumference of the second fiber bundle layer 12.
  • the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 are substantially untwisted.
  • the term “substantially untwisted” includes not only the case where the discontinuous reinforcing fibers 15 are not twisted at all but also the case where the discontinuous reinforcing fibers 15 are not substantially restrained by the twisting. Since the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 are substantially non-twisted, each discontinuous reinforcing fiber 15 extends linearly in the axial direction of the spun yarn 11 and has straightness. The discontinuous reinforcing fibers 15 are said to extend linearly and have straightness.
  • having straightness means a slight curvature or Including twist.
  • the yarn strength is increased as compared with the case where the spun yarn 11 is the second fiber bundle layer 12 only.
  • the second fiber bundle layer 12 has a gap S between the discontinuous reinforcing fibers 15 adjacent to each other in the radial direction and the axial direction of the spun yarn 11.
  • the first fiber bundle layer 13 there is a gap S between the discontinuous reinforcing fibers 15 adjacent to each other in the radial direction and the axial direction of the spun yarn 11.
  • the ratio of the gap S in the second fiber bundle layer 12 is higher than the ratio of the gap S in the first fiber bundle layer 13, and the second fiber bundle layer 12 has a fiber volume content ratio higher than that of the first fiber bundle layer 13. It's getting low.
  • the volume ratio of the discontinuous reinforcing fibers 15 per unit volume is defined as the fiber volume content (Vf).
  • the fiber volume content of the second fiber bundle layer 12 is lower than the fiber volume content of the first fiber bundle layer 13, and the second fiber bundle layer 12 has more gaps S than the first fiber bundle layer 13. ..
  • the spun yarn 11 when the spun yarn 11 is pressed toward the central axis L toward the center, the first fiber bundle layer 13 and the second fiber bundle layer 12 are pressed, but the second fiber bundle layer 12
  • the amount that can be deformed toward the center is larger than that in the first fiber bundle layer 13. This indicates that when the spun yarn 11 is pressed in the central direction, the second fiber bundle layer 12 can crush more than the first fiber bundle layer 13 has.
  • the first fiber bundle layer 13 is also deformed toward the center, but the amount of deformation is small and the amount that can be crushed is smaller than that of the second fiber bundle layer 12.
  • the fiber volume content of the second fiber bundle layer 12 and the fiber volume content of the first fiber bundle layer 13 are such that the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer when the spun yarn 11 is pressed in the center direction.
  • the amount of the discontinuous reinforcing fibers 15 is adjusted and set so that the fiber volume content of 13 is the same.
  • the shape-maintaining fiber bundle 14 is formed by bundling continuous fibers.
  • continuous fibers organic fibers or inorganic fibers which are reinforcing fibers may be used, and as the organic fibers, acrylic fibers, nylon fibers, polyester fibers, aramid fibers, poly-p-phenylene benzobisoxazole fibers, ultra high Examples thereof include molecular weight polyethylene fibers, and examples of the inorganic fibers include carbon fibers, glass fibers and ceramic fibers.
  • the shape-maintaining fiber bundle 14 may be formed by bundling the discontinuous reinforcing fibers 15.
  • the shape-maintaining fiber bundle 14 is spirally wound around the outer peripheral surface of the first fiber bundle layer 13, and holds the shape in which the second fiber bundle layer 12 is covered with the first fiber bundle layer 13.
  • the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12, the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the first fiber bundle layer 13, and the shape maintaining fiber bundle 14 are formed.
  • the continuous fibers or the discontinuous fibers are all made of the same material, for example, carbon fibers.
  • the thickness of the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12 is the same as the thickness of the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the first fiber bundle layer 13.
  • the fiber-reinforced composite material 20 is formed by impregnating a fiber structure 21 as a reinforcing base material with a matrix resin 31.
  • a matrix resin 31 for example, an epoxy resin which is a thermosetting resin is used.
  • the fibrous structure 21 includes a plurality of weft layers 22a formed of the spun yarn 11 and a plurality of weft layers 22a and a plurality of warp layers 22b formed of the spun yarn 11.
  • the weft layer 22a and the plurality of warp layers 22b are constrained by constraining yarns 23 in the stacking direction. Further, in the weft yarn layer 22a and the warp yarn layer 22b, each spun yarn 11 is flattened as it is formed.
  • Impregnation of the fiber structure 21 with the matrix resin 31 is performed by the RTM (resin transfer molding) method. Then, the fiber structure 21 is impregnated with the matrix resin 31, and the matrix resin 31 is cured, whereby the spun yarns 11 of the fiber structure 21 are compounded with the matrix resin 31 to form the fiber-reinforced composite material 20.
  • the fiber-reinforced composite material 20 is used as a part of a moving body such as an aircraft or a passenger car.
  • the molding die 41 is composed of a lower die 42 and an upper die 43, and the lower die 42 has a cavity 44 corresponding to the shape of the fiber-reinforced composite material 20 to be formed.
  • the fiber structure 21 is shaped into a desired shape.
  • the shaped fiber structure 21 is placed in the cavity 44 (inside the molding die 41) with the molding die 41 left open.
  • the upper end surface 21 a projects from the inside of the cavity 44 to the outside.
  • the mold is closed until the tightness of the cavity 44 is secured.
  • the lower surface of the upper mold 43 presses the upper end surface 21a of the fiber structure 21, and the fiber structure 21 is pressed in the stacking direction.
  • one (upper) spun yarn 11 among the spun yarns 11 arranged adjacent to each other in the laminating direction has an axial direction due to thickness unevenness.
  • the fibrous structure 21 is pressed in the laminating direction when the bulging portion 11a bulging in the radial direction is partially provided, as shown in FIG. 6B, the bulging portion 11a of one spun yarn 11 is formed. Presses the other spun yarn 11. At this time, in the other spun yarn 11 that has been pressed, the first fiber bundle layer 13 adjacent to the one spun yarn 11 is deformed toward the center of the spun yarn 11.
  • the presence of the second fiber bundle layer 12 having the gap S reduces the degree of bending of the discontinuous reinforcing fibers 15 as the distance from the pressing portion increases. Therefore, it is possible to prevent all the discontinuous reinforcing fibers 15 constituting the other spun yarn 11 that has been pressed from bending, and suppress the meandering of the other spun yarn 11 due to the pressing.
  • FIG. 6C shows a spun yarn 50 that does not include the second fiber bundle layer 12 as a comparative example, and one spun yarn 50 having a bulge portion 50a is laminated above the spun yarn 50 of the comparative example. The case is shown.
  • the bulging portion 50a of the spun yarn 50 on one side presses the spun yarn 50 on the other side toward the center.
  • the other spun yarn 50 that has been pressed since there is no second fiber bundle layer 12, all the discontinuous reinforcing fibers 15 are uniformly bent, and the spun yarn 50 as a whole is meandering.
  • the fiber structure 21 is crushed in the stacking direction while the straightness of the spun yarn 11 is maintained.
  • the matrix resin 31 is injected into the cavity 44.
  • the matrix resin 31 injected into the cavity 44 permeates each spun yarn 11 of the fiber structure 21.
  • the heating of the molding die 41 is continued until the curing of the matrix resin 31 is completed with the matrix resin 31 and the fiber structure 21 crushed.
  • the molding die 41 is opened, and the fiber-reinforced composite material 20 is taken out from the molding die 41.
  • the spun yarn 11 has the second fiber bundle layer 12 closer to the center than the first fiber bundle layer 13. And the fiber volume content rate of the 2nd fiber bundle layer 12 was made lower than the fiber volume content of the 1st fiber bundle layer 13. Therefore, when the fibrous structure 21 is shaped or pressed by the mold closing of the molding die 41, the second fiber bundle layer 12 is deformed due to the large number of gaps S included in the second fiber bundle layer 12. The pressure on the spun yarn 11 is easily absorbed by the deformation of the second fiber bundle layer 12.
  • the fiber volume content of the second fiber bundle layer 12 is set lower than the fiber volume content of the first fiber bundle layer 13, and the second fiber bundle layer 12 has a fiber volume content higher than that of the first fiber bundle layer 13.
  • the location is low.
  • the bending of the spun yarn 11 can be suppressed by a simple method of changing the fiber volume content.
  • a shape-maintaining fiber bundle 14 is wound around the first fiber bundle layer 13.
  • the shape-maintaining fiber bundle 14 suppresses the first fiber bundle layer 13 from peeling off from the second fiber bundle layer 12.
  • the shape-maintaining fiber bundle 14 can maintain the state in which the first fiber bundle layer 13 covers the second fiber bundle layer 12, and prevents the first fiber bundle layer 13 from peeling off when the spun yarn 11 is woven. Can be suppressed.
  • the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12, the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the first fiber bundle layer 13, and the shape-retaining fiber bundle 14 are made of carbon fibers of the same material. . Therefore, in the spun yarn 11, no dissimilar material interface occurs between the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13, and further between the first fiber bundle layer 13 and the shape-retaining fiber bundle 14, and the matrix resin The adhesiveness between the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 when impregnated with 31 and the adhesiveness between the first fiber bundle layer 13 and the shape-maintaining fiber bundle 14 do not deteriorate.
  • the manufacturing cost of the spun yarn 11 can be suppressed as compared with the case where the discontinuous reinforcing fibers 15 of the second fiber bundle layer 12 and the discontinuous reinforcing fibers 15 of the first fiber bundle layer 13 are made of different materials. it can.
  • the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 have the same fiber volume content when the spun yarn 11 is pressed in the central direction, so that The fiber volume content of the two fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 was adjusted. Therefore, when the spun yarn 11 is pressed, the spun yarn 11 has a constant fiber volume content. Therefore, it is possible to suppress a decrease in yarn strength of the spun yarn 11 that has been pressed.
  • the embodiment can be modified and implemented as follows.
  • the present embodiment and the modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
  • the layer 13a may be provided, and further, the first fiber bundle layer 13 having a higher fiber volume content than the first fiber bundle layer 13a may be provided outside the first fiber bundle layer 13a.
  • a first fiber bundle layer 13 having a higher fiber volume content than the second fiber bundle layer 12 is provided outside the second fiber bundle layer 12 along the central axis L, and the first fiber thereof is further provided.
  • the second fiber bundle layer 12 having a lower fiber volume content than the first fiber bundle layer 13 may be provided outside the bundle layer 13.
  • another first fiber bundle layer 13 may be provided outside the second fiber bundle layer 12.
  • the position of the second fiber bundle layer 12 in the radial direction of the spun yarn 11 may be changed appropriately.
  • the first fiber bundle layer 13 is provided along the central axis L of the spun yarn 11
  • the second fiber bundle layer 12 is provided outside the first fiber bundle layer 13, and further outside the second fiber bundle layer 12.
  • Another first fiber bundle layer 13 may be provided in the.
  • a first fiber bundle layer 13 having a higher fiber volume content than the second fiber bundle layer 12 is provided outside the second fiber bundle layer 12 along the central axis L, and the first fiber thereof is further provided.
  • the second fiber bundle layer 12 may be provided outside the bundle layer 13.
  • the configuration for making the deformation amount of the second fiber bundle layer 12 larger than the deformation amount of the first fiber bundle layer 13 may be a configuration other than the fiber volume content rate.
  • the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12 and the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the first fiber bundle layer 13 may be made of different materials.
  • the non-continuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12 are organic fibers (for example, nylon fibers), and the non-continuous reinforcing fibers 15 forming the first fiber bundle layer 13 are inorganic fibers (for example, carbon fibers). May be
  • the carbon fibers of the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 are the carbon fibers of the second fiber bundle layer 12 while the discontinuous reinforcing fibers 15 constituting the first fiber bundle layer 13 are carbon fibers. It may be a softer type of carbon fiber.
  • the cross-sectional shape or the thickness of the carbon fibers of the second fiber bundle layer 12 may be changed to the first fiber while the discontinuous reinforcing fibers 15 forming the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13 are carbon fibers, respectively.
  • the cross-sectional shape or thickness may be more easily deformed than the shape of the carbon fibers of the bundle layer 13.
  • the fibrous structure 21 may be configured by laminating a plurality of fabrics formed by plain-weaving the spun yarn 11 and constraining the plurality of fabrics by a constraint yarn 23 in the laminating direction.
  • the woven fabric may be formed of satin weave or twill weave other than plain weave.
  • the plurality of weft layers 22a and the plurality of warp layers 22b are constrained by the constraining yarns 23 in the stacking direction, but the present invention is not limited to this.
  • the fibrous structure 21 may be configured by constraining a weft layer 22a formed of a plurality of wefts formed of the spun yarn 11 by a plurality of warp formed of the spun yarns 11.
  • the fibrous structure 21 may be configured by constraining the warp layer 22b composed of a plurality of warp yarns formed of the spun yarn 11 with a plurality of weft yarns formed of the spun yarn 11.
  • the spun yarn 11 may not include the shape-maintaining fiber bundle 14 and may be composed of only the second fiber bundle layer 12 and the first fiber bundle layer 13.
  • the matrix resin 31 of the fiber-reinforced composite material 20 does not have to be an epoxy resin, and may be a thermosetting resin such as a vinyl ester resin, an unsaturated polyester resin or a phenol resin, or a polyamide, polybutylene terephthalate, It may be a thermoplastic resin such as polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polyimide resin or ABS resin.
  • the method for molding the fiber-reinforced composite material 20 is not limited to the RTM method, and may be, for example, a hot press molding method.
  • a second fiber bundle layer made of the discontinuous reinforcing fibers and more easily deformed in the central direction than the first fiber bundle layer is disposed closer to the center side of the spun yarn than the first fiber bundle layer.

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Abstract

非連続強化繊維（１５）製の紡績糸（１１）は、第１繊維束層（１３）よりも紡績糸（１１）の中心側に、第１繊維束層（１３）に比べて紡績糸（１１）の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層（１２）を有する。

Description

紡績糸
　本発明は、非連続強化繊維製の紡績糸に関する。
　繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材は、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸・硬化させて形成されている。繊維構造体を形成する強化繊維糸としては、例えば炭素繊維やガラス繊維である非連続強化繊維を束ねて構成された紡績糸が挙げられる。特許文献１の複合紡績糸は、炭素繊維やガラス繊維といった非連続強化繊維を含む無撚の短繊維束状物の外周部に連続糸状物が捲回してなるものである。
特開平７－１１８９７９号公報
　繊維強化複合材のマトリックス樹脂中での繊維体積含有率を高めるためや、賦形等を目的として繊維構造体が加圧されるときがある。このとき、繊維構造体の加圧に伴い、繊維構造体中で隣接配置される紡績糸が互いに押圧されて屈曲するため、直進性を持って配向されていた紡績糸が蛇行してしまう。
　本発明の目的は、加圧に伴う蛇行を抑制できる紡績糸を提供することにある。
　上記問題点を解決するための紡績糸は、非連続強化繊維から構成される紡績糸であって、前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて前記紡績糸の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを要旨とする。
　これによれば、紡績糸によって形成された繊維構造体を強化基材とした繊維強化複合材の製造の際、繊維構造体が成形型の型閉めによって加圧されたり、所望の形状に賦形するために加圧されたりする。この加圧時、繊維構造体中に隣接配置される紡績糸が互いに押圧され、各紡績糸は中心方向へ押圧される。このとき、各紡績糸においては、第１繊維束層及び第２繊維束層が押圧されるが、第２繊維束層の方が第１繊維束層よりも変形しやすいため、押圧による第１繊維束層の変形が第２繊維束層により吸収される。その結果、第２繊維束層により、紡績糸を構成する非連続強化繊維の全てが屈曲することが抑制され、押圧を原因とした紡績糸の蛇行を抑制できる。
　また、紡績糸について、前記第２繊維束層は、前記第１繊維束層よりも繊維体積含有率が低いのが好ましい。
　これによれば、第２繊維束層は、第１繊維束層と比べると非連続強化繊維同士の間の隙間が多く、繊維体積含有率が低い構成となる。このため、紡績糸が押圧されたとき、隙間を利用して第２繊維束層が、紡績糸の中心方向へより変形しやすくなり、紡績糸が屈曲することを抑制できる。
　また、紡績糸について、最も外側の前記第１繊維束層の外周面に捲回される形状保持用繊維束を備えていてもよい。
　これによれば、形状保持用繊維束により、最外層が剥がれ落ちることが抑制される。また、形状保持用繊維束により、紡績糸の形状を維持でき、紡績糸を織ったりする際にも、最外層が剥がれることを抑制できる。
　また、紡績糸について、前記紡績糸の中心軸線に沿って前記第２繊維束層を備えていてもよい。
　これによれば、紡績糸が周方向の何れの位置から加圧されても、第２繊維束層の変形により、紡績糸が屈曲することを抑制できる。
　本発明によれば、加圧に伴う蛇行を抑制できる。
実施形態の紡績糸を模式的に示す斜視図。 実施形態の紡績糸を模式的に示す断面図。 実施形態の紡績糸を模式的に示す図。 繊維強化複合材を模式的に示す図。 （ａ）はキャビティに繊維構造体を配置した状態を示す断面図、（ｂ）は成　形型を型閉めした状態を示す断面図。 （ａ）は加圧前の紡績糸同士を模式的に示す図、（ｂ）は加圧後の紡績糸同士を模式的に示す図、（ｃ）は比較例の紡績糸同士を模式的に示す図。 別例の紡績糸を模式的に示す図。
　以下、紡績糸を具体化した一実施形態を図１～図６にしたがって説明する。
　図１～図３に示すように、紡績糸１１は、最外層を構成する第１繊維束層１３よりも紡績糸１１の中心側に第２繊維束層１２を有する。つまり、紡績糸１１は、当該紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２を有するとともに、第２繊維束層１２を覆う第１繊維束層１３を有する。また、紡績糸１１は、第１繊維束層１３に捲回された形状保持用繊維束１４を有する。紡績糸１１において、中心軸線Ｌの延びる方向は軸線方向であり、紡績糸１１の外から中心軸線Ｌに向かう方向を中心方向とする。なお、紡績糸１１において、中心軸線Ｌから外に向かう方向と、上述の中心方向の両方向を含めて径方向と言う場合もある。紡績糸１１は、第１繊維束層１３よりも紡績糸１１の中心側に第２繊維束層１２を有する。
　第２繊維束層１２、及び第１繊維束層１３は、それぞれ複数の非連続強化繊維１５によって構成されている。非連続強化繊維１５としては、有機繊維又は無機繊維を使用してもよいし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリ－ｐ－フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。
　第１繊維束層１３は、第２繊維束層１２を全周に亘って覆う。第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３は、実質無撚である。なお、実質無撚とは、非連続強化繊維１５の撚りが全くない場合の他、実質的に非連続強化繊維１５が撚りによる拘束を受けていない場合も含む。第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３が実質無撚であることから、各非連続強化繊維１５は、紡績糸１１の軸線方向へ直線状に延び、直進性を有している。なお、非連続強化繊維１５は、直線状に延び、直進性を有するとしているが、製造上、部分的に緩やかに湾曲することは避けられないため、直進性を有するとは、若干の湾曲やねじれを含むものとする。また、第２繊維束層１２を第１繊維束層１３で覆うことにより、紡績糸１１が第２繊維束層１２だけの場合と比べて糸強力が高められている。
　図３に示すように、第２繊維束層１２には、紡績糸１１の径方向及び軸線方向に隣り合う非連続強化繊維１５同士の間に隙間Ｓがある。一方、第１繊維束層１３においても、紡績糸１１の径方向及び軸線方向に隣り合う非連続強化繊維１５同士の間に隙間Ｓはある。しかし、第２繊維束層１２における隙間Ｓの割合は、第１繊維束層１３における隙間Ｓの割合よりも高く、第２繊維束層１２は第１繊維束層１３よりも繊維体積含有率が低くなっている。
　紡績糸１１において、単位体積あたりの非連続強化繊維１５の体積の割合を、繊維体積含有率（Ｖｆ）とする。第２繊維束層１２の繊維体積含有率は、第１繊維束層１３の繊維体積含有率よりも低く、第２繊維束層１２の方が第１繊維束層１３に比べて隙間Ｓが多い。
　このため、紡績糸１１を中心軸線Ｌに向けて中心方向へ押圧して加圧したとき、第１繊維束層１３及び第２繊維束層１２が押圧されるが、第２繊維束層１２の方が、第１繊維束層１３よりも中心方向へ変形できる量が大きい。これは、紡績糸１１を中心方向に加圧したとき、第２繊維束層１２の方が、第１繊維束層１３よりも押し潰すことのできる量が多いことを示す。なお、第１繊維束層１３も、中心方向へ変形するが、その変形量は僅かであり、押し潰すことのできる量は第２繊維束層１２よりも少ない。
　第２繊維束層１２の繊維体積含有率、及び第１繊維束層１３の繊維体積含有率は、紡績糸１１を中心方向に加圧したとき、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３とで繊維体積含有率が同じになるように、非連続強化繊維１５の量を調整して設定されている。
　形状保持用繊維束１４は、連続繊維を束ねて形成されている。連続繊維としては、強化繊維である有機繊維又は無機繊維を使用してもよく、有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリ－ｐ－フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。なお、形状保持用繊維束１４は、非連続強化繊維１５を束ねて形成されたものでもよい。形状保持用繊維束１４は、第１繊維束層１３の外周面に対し螺旋状に巻き付けられ、第２繊維束層１２が第１繊維束層１３で覆われた形状を保持する。
　本実施形態の紡績糸１１において、第２繊維束層１２を形成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を形成する非連続強化繊維１５と、形状保持用繊維束１４を形成する連続繊維又は非連続繊維は、全て同じ材質であり、例えば、炭素繊維で形成されている。また、第２繊維束層１２を形成する非連続強化繊維１５の太さは、第１繊維束層１３を形成する非連続強化繊維１５の太さと同じである。
　図４に示すように、繊維強化複合材２０は、強化基材である繊維構造体２１にマトリックス樹脂３１を含浸させて構成されている。マトリックス樹脂３１としては、例えば、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂が使用される。なお、繊維構造体２１は、紡績糸１１で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層２２ａと、紡績糸１１で形成された複数本の経糸からなる経糸層２２ｂとを複数積層し、複数の緯糸層２２ａと複数の経糸層２２ｂとを拘束糸２３で積層方向に拘束して構成されている。また、緯糸層２２ａ及び経糸層２２ｂでは、各紡績糸１１は、成形に伴って扁平状である。
　繊維構造体２１へのマトリックス樹脂３１の含浸は、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。そして、繊維構造体２１にマトリックス樹脂３１が含浸し、マトリックス樹脂３１が硬化することにより、繊維構造体２１の各紡績糸１１は、マトリックス樹脂３１と複合化して繊維強化複合材２０となる。そして、繊維強化複合材２０は、例えば、航空機や乗用車等の移動体の部品として使用される。
　次に、繊維強化複合材２０の製造方法及び作用について説明する。
　図５（ａ）に示すように、成形型４１は下型４２及び上型４３で構成されており、下型４２は形成すべき繊維強化複合材２０の形状に対応したキャビティ４４を備える。
　まず、繊維構造体２１を所望する形状に賦形する。次に、成形型４１が開放された状態で、キャビティ４４内（成形型４１内）に賦形した繊維構造体２１を配置する。この場合、繊維構造体２１の下端面２１ｂをキャビティ４４の内底面に載せた状態では、上端面２１ａがキャビティ４４内から外部に突出する。
　次に、図５（ｂ）に示すように、キャビティ４４の密閉性が確保されるまで型閉めを行う。このとき、上型４３の下面は、繊維構造体２１の上端面２１ａを押圧し、繊維構造体２１が積層方向に加圧される。
　図６（ａ）に示すように、繊維構造体２１内において、積層方向に隣接配置された紡績糸１１のうち、一方（上方）の紡績糸１１に、太さ斑に起因して軸線方向の一部に径方向に膨らんだ膨出部１１ａを有する場合、繊維構造体２１が積層方向に加圧されると、図６（ｂ）に示すように、一方の紡績糸１１の膨出部１１ａが、他方の紡績糸１１を押圧する。このとき、押圧された他方の紡績糸１１においては、一方の紡績糸１１に隣接する第１繊維束層１３は紡績糸１１の中心方向へ変形する。しかし、隙間Ｓを有する第２繊維束層１２が存在することによって、押圧部分から離れるにつれて非連続強化繊維１５の屈曲度合いが緩和される。したがって、押圧された他方の紡績糸１１を構成する非連続強化繊維１５の全てが屈曲することが抑制され、押圧を原因とした、他方の紡績糸１１の蛇行が抑制される。
　図６（ｃ）に、第２繊維束層１２を備えない紡績糸５０を比較例として示し、比較例の紡績糸５０の上方に、膨出部５０ａを有する一方の紡績糸５０が積層されている場合を示す。繊維構造体２１が積層方向に加圧されると、一方の紡績糸５０の膨出部５０ａが、他方の紡績糸５０を中心側へ押圧する。このとき、押圧された他方の紡績糸５０においては、第２繊維束層１２が無いことから全ての非連続強化繊維１５が一様に屈曲して、紡績糸５０全体として蛇行してしまう。
　従って、本実施形態によれば、紡績糸１１の直進性が保たれたまま、繊維構造体２１が積層方向に押し潰される。次に、マトリックス樹脂３１をキャビティ４４内に注入する。キャビティ４４内に注入されたマトリックス樹脂３１は、繊維構造体２１の各紡績糸１１に浸透する。その後、マトリックス樹脂３１及び繊維構造体２１が押し潰された状態でマトリックス樹脂３１の硬化が完了するまで成形型４１の加熱が継続される。マトリックス樹脂３１の硬化が完了した後、成形型４１を開き、成形型４１内から繊維強化複合材２０を取り出す。
　上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
　（１）紡績糸１１は、第１繊維束層１３よりも中心側に第２繊維束層１２を有する。そして、第２繊維束層１２の繊維体積含有率を第１繊維束層１３の繊維体積含より低くした。このため、繊維構造体２１が賦形されたり、成形型４１の型閉めによって加圧されたりしたとき、第２繊維束層１２が有する多数の隙間Ｓにより、第２繊維束層１２が変形しやすく、紡績糸１１に対する押圧が第２繊維束層１２の変形により吸収される。その結果、紡績糸１１が屈曲することが抑制され、加圧に伴う紡績糸１１の蛇行を抑制でき、得られる繊維強化複合材２０において、紡績糸１１の屈曲を原因とした強度低下を抑制できる。
　（２）第２繊維束層１２の繊維体積含有率を、第１繊維束層１３の繊維体積含有率より低くし、第２繊維束層１２を第１繊維束層１３より繊維体積含有率が低くなっている箇所とした。繊維体積含有率を異ならせるだけの簡単な方法で、紡績糸１１の屈曲を抑制できる。
　（３）紡績糸１１において、第１繊維束層１３には形状保持用繊維束１４が捲回されている。形状保持用繊維束１４により、第１繊維束層１３が第２繊維束層１２から剥がれ落ちることが抑制される。また、形状保持用繊維束１４により、第１繊維束層１３が第２繊維束層１２を覆う状態を維持でき、紡績糸１１を織ったりする際にも第１繊維束層１３が剥がれることを抑制できる。
　（４）第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５と、形状保持用繊維束１４とを同じ材質の炭素繊維とした。このため、紡績糸１１において、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３の間、さらに、第１繊維束層１３と形状保持用繊維束１４の間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂３１を含浸させたときの第２繊維束層１２と第１繊維束層１３との接着性、及び第１繊維束層１３と形状保持用繊維束１４の接着性が低下しない。また、例えば、第２繊維束層１２の非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３の非連続強化繊維１５を別々の材質とする場合と比べて紡績糸１１の製造コストを抑えることができる。
　（５）紡績糸１１を中心方向に加圧したときの繊維体積含有率が第２繊維束層１２と第１繊維束層１３とで同じになるように、加圧前の紡績糸１１における第２繊維束層１２と第１繊維束層１３の繊維体積含有率を調整した。このため、紡績糸１１が加圧されたとき、紡績糸１１は一定の繊維体積含有率となる。このため、加圧された紡績糸１１において、その糸強力の低下を抑制できる。
　なお、実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
　図７に示すように、紡績糸１１において、紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２より外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３ａを設け、さらに、その第１繊維束層１３ａの外側に、第１繊維束層１３ａよりも繊維体積含有率の高い第１繊維束層１３を設けてもよい。
　紡績糸１１において、中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２の外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３を設け、さらに、その第１繊維束層１３より外側に、当該第１繊維束層１３よりも繊維体積含有率が低い第２繊維束層１２を設けてもよい。そして、この第２繊維束層１２より外側に他の第１繊維束層１３を設けてもよい。
　要は、紡績糸１１の径方向における第２繊維束層１２の位置は適宜変更してもよい。
　又は、紡績糸１１の中心軸線Ｌに沿って第１繊維束層１３を設け、その第１繊維束層１３の外側に第２繊維束層１２を設け、さらに、第２繊維束層１２の外側に他の第１繊維束層１３を設けてもよい。
　紡績糸１１において、中心軸線Ｌに沿う第２繊維束層１２の外側に、当該第２繊維束層１２よりも繊維体積含有率が高い第１繊維束層１３を設け、さらに、その第１繊維束層１３より外側に第２繊維束層１２を設けてもよい。
　第２繊維束層１２の変形量を、第１繊維束層１３の変形量より大きくするための構成は、繊維体積含有率以外の構成であってもよい。例えば、第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５と、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５の材質を異ならせてもよい。第２繊維束層１２を構成する非連続強化繊維１５を、有機繊維（例えば、ナイロン繊維）とし、第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５を、無機繊維（例えば、炭素繊維）としてもよい。
　又は、第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５をそれぞれ炭素繊維としつつ、第２繊維束層１２の炭素繊維を、第１繊維束層１３の炭素繊維よりも軟らかい種類の炭素繊維としてもよい。
　又は、第２繊維束層１２及び第１繊維束層１３を構成する非連続強化繊維１５をそれぞれ炭素繊維としつつ、第２繊維束層１２の炭素繊維の断面形状又は太さを、第１繊維束層１３の炭素繊維の形状よりも変形しやすい断面形状又は太さとしてもよい。
　〇　繊維構造体２１は、紡績糸１１を平織りして形成された織物を複数積層し、複数の織物を拘束糸２３で積層方向に拘束して構成されていてもよい。この場合、織物は、平織り以外に、繻子織り、綾織りで形成されていてもよい。
　〇　繊維構造体２１は、複数の緯糸層２２ａと複数の経糸層２２ｂとを拘束糸２３で積層方向に拘束していたが、これに限らない。繊維構造体２１は、紡績糸１１で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層２２ａを、紡績糸１１で形成された複数本の経糸で拘束して構成されていてもよい。又は、繊維構造体２１は、紡績糸１１で形成された複数本の経糸からなる経糸層２２ｂを、紡績糸１１で形成された複数本の緯糸で拘束して構成されていてもよい。
　〇　紡績糸１１は、形状保持用繊維束１４を備えず、第２繊維束層１２と第１繊維束層１３のみで構成されていてもよい。
　〇　繊維強化複合材２０のマトリックス樹脂３１はエポキシ樹脂でなくてもよく、例えばビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド樹脂、ＡＢＳ樹脂等といった熱可塑性樹脂であってもよい。
　〇　繊維強化複合材２０の成形方法は、ＲＴＭ法に限られず、例えば熱プレス成形法であってもよい。
　次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
　（１）繊維構造体よりなる強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記繊維構造体を形成する紡績糸が、非連続強化繊維から構成され、前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを特徴とする繊維強化複合材。
　（２）前記第２繊維束層を構成する非連続強化繊維と、前記第１繊維束層を構成する前記非連続強化繊維は同じ種類である繊維強化複合材。
　１１　　紡績糸
　１２　　第２繊維束層
　１３　　第１繊維束層
　１４　　形状保持用繊維束
　１５　　非連続強化繊維

Claims (4)

  1. 　非連続強化繊維から構成される紡績糸であって、
    　前記非連続強化繊維から構成される第１繊維束層よりも前記紡績糸の中心側に、前記非連続強化繊維から構成され、前記第１繊維束層に比べて前記紡績糸の中心方向へ変形しやすい第２繊維束層を有することを特徴とする紡績糸。
  2. 　前記第２繊維束層は、前記第１繊維束層よりも繊維体積含有率が低い請求項１に記載の紡績糸。
  3. 　最も外側の前記第１繊維束層の外周面に捲回される形状保持用繊維束を備える請求項１又は請求項２に記載の紡績糸。
  4. 　前記紡績糸の中心軸線に沿って前記第２繊維束層を備える請求項１～請求項３のうちのいずれか一項に記載の紡績糸。
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