WO2021200862A1 - Composite - Google Patents

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圭一 奥山
千愛 今市
純 南舘
純一 ▲角▼田
智亮 中西
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Agc株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T50/40Weight reduction

Abstract

Provided is a composite having excellent heat resistance. This composite is provided with multiple layers stacked on top of each other, and multiple long fibers disposed inside the layers in parallel to a direction orthogonal to the thickness direction of the layers. The long fibers disposed in the n-th layer and the long fibers disposed in the n+1 layer intersect with each other. Said n is a positive integer. The layers include a matrix resin containing a thermoplastic resin and have a porosity of 3-20%.

Description

複合体Complex
 本発明は、複合体に関する。 The present invention relates to a complex.
 従来、炭素繊維などの繊維とマトリックス樹脂とからなる複合体が、例えば耐熱材として使用されている(特許文献1)。 Conventionally, a composite composed of fibers such as carbon fibers and a matrix resin has been used as, for example, a heat-resistant material (Patent Document 1).
特開2014-42996号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-42996
 近年、市場からは、より優れた耐熱材の開発が要請されている。
 そこで、本発明は、耐熱性に優れる複合体を提供することを目的とする。
In recent years, the market has requested the development of better heat-resistant materials.
Therefore, an object of the present invention is to provide a complex having excellent heat resistance.
 本発明者らは、鋭意検討した結果、下記構成を採用することにより、上記目的を達成できることを見出した。
 すなわち、本発明は、以下の[1]~[10]を提供する。
[1]積層された複数の層と、前記層の内部に、前記層の厚さ方向と直交する方向に並列配置された複数本の長繊維と、を備え、n層目の前記層に配置された前記長繊維と、n+1層目の前記層に配置された前記長繊維とが交差しており、ただし、nは正の整数であり、前記層は、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂を有し、空隙率が3~20%である、複合体。
[2]前記長繊維が、炭素繊維である、上記[1]に記載の複合体。
As a result of diligent studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by adopting the following configuration.
That is, the present invention provides the following [1] to [10].
[1] A plurality of laminated layers and a plurality of long fibers arranged in parallel in a direction orthogonal to the thickness direction of the layer are provided inside the layer, and are arranged in the nth layer. The long fibers are crossed with the long fibers arranged in the n + 1th layer, where n is a positive integer and the layer has a matrix resin containing a thermoplastic resin. A complex having a void ratio of 3 to 20%.
[2] The complex according to the above [1], wherein the long fibers are carbon fibers.
[3]前記マトリックス樹脂の窒素下5%質量減少温度が、150℃以上であり、前記マトリックス樹脂の熱変形温度が、100℃以上である、上記[1]または[2]に記載の複合体。
[4]前記熱変形温度が、150℃以上である、上記[3]に記載の複合体。
[5]前記熱可塑性樹脂が、芳香族ポリエーテルケトンを含む、上記[1]~[4]のいずれかに記載の複合体。
[6]前記芳香族ポリエーテルケトンが、ポリエーテルエーテルケトンである、上記[5]に記載の複合体。
[7]前記長繊維の直径が、1~20μmである、上記[1]~[6]のいずれかに記載の複合体。
[8]前記長繊維の含有量が、20~80質量%である、上記[1]~[7]のいずれかに記載の複合体。
[3] The complex according to the above [1] or [2], wherein the matrix resin has a 5% mass reduction temperature under nitrogen at 150 ° C. or higher, and the thermal deformation temperature of the matrix resin is 100 ° C. or higher. ..
[4] The complex according to the above [3], wherein the thermal deformation temperature is 150 ° C. or higher.
[5] The complex according to any one of the above [1] to [4], wherein the thermoplastic resin contains an aromatic polyetherketone.
[6] The complex according to the above [5], wherein the aromatic polyetherketone is a polyetheretherketone.
[7] The complex according to any one of [1] to [6] above, wherein the long fibers have a diameter of 1 to 20 μm.
[8] The complex according to any one of the above [1] to [7], wherein the content of the long fibers is 20 to 80% by mass.
[9]上記[1]~[8]のいずれかに記載の複合体を製造する方法であって、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂と複数本の長繊維とを有し、前記複数本の長繊維が線状体の長さ方向に配列している線状体を用い、前記線状体を一方向に配置して溶融押圧し、次いで溶融押圧後の線状体に隣接させて別の前記線状体を並列配置して溶融押圧し、これを繰り返すことにより前記複合体中の1つの層を形成し、その後前記線状体の方向を変える以外は同様にして前記層に隣接する第二の層を形成し、さらに任意に前記層形成を繰り返すことを特徴とする複合体の製造方法。
[10]前記長繊維が連続繊維である、[9]に記載の製造方法。
[9] The method for producing the composite according to any one of the above [1] to [8], which comprises a matrix resin containing a thermoplastic resin and a plurality of long fibers, and the plurality of lengths. Using a linear body in which fibers are arranged in the length direction of the linear body, the linear body is arranged in one direction and melt-pressed, and then adjacent to the linear body after the melt-pressing, another said A second layer adjacent to the layer is formed in the same manner except that the linear bodies are arranged in parallel, melt-pressed, and repeated to form one layer in the complex, and then the direction of the linear bodies is changed. A method for producing a complex, which comprises forming a layer of the above-mentioned layer and optionally repeating the layer formation.
[10] The production method according to [9], wherein the long fibers are continuous fibers.
 本発明によれば、耐熱性に優れる複合体を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a complex having excellent heat resistance.
複合体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the complex. 線状体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the linear body. 層を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the layer. アーク加熱試験の結果(試験体の温度)を示すグラフである。It is a graph which shows the result (temperature of a test piece) of an arc heating test.
 以下、本発明の一実施形態について、図1~図3を参照して説明する。
 ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。本発明の範囲を逸脱しない範囲で、以下の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
However, the present invention is not limited to the following embodiments. Various modifications and substitutions can be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention.
[複合体]
 図1は、複合体1を示す斜視図である。
 複合体1は、複数の層2が積層された積層体である。
 各々の層2の内部には、複数本の長繊維3が、層2の厚さ方向と直交する方向に、並列配置されている。層2における長繊維3を除く部分は、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂4である。マトリックス樹脂4は、複数本の長繊維を接着すると同時に、層2どうしを接着する機能を有する。長繊維3は、層2の一方の繊維切断面から他方の繊維切断面まで連続していることが好ましい。
[Complex]
FIG. 1 is a perspective view showing the complex 1.
The complex 1 is a laminated body in which a plurality of layers 2 are laminated.
Inside each layer 2, a plurality of long fibers 3 are arranged in parallel in a direction orthogonal to the thickness direction of the layer 2. The portion of the layer 2 excluding the long fibers 3 is a matrix resin 4 containing a thermoplastic resin. The matrix resin 4 has a function of adhering a plurality of long fibers and at the same time adhering layers 2 to each other. The long fibers 3 are preferably continuous from one fiber cut surface of layer 2 to the other fiber cut surface.
 n層目(例えば図1中の下から1層目)の層2に配置された長繊維3と、n+1層目(例えば図1中の下から2層目)の層2に配置された長繊維3とは、積層方向を上側としたとき上面視で交差しており、互いに非平行である。ここで、nは正の整数である。より具体的には、複合体1の層数をmとすると、nは、1~(m-1)の範囲の整数である。
 図1では、長繊維3どうしの交差を明示するため、各々の層2に内蔵された長繊維3を1本ずつ、破線で図示している。
The length fibers 3 arranged in the nth layer (for example, the first layer from the bottom in FIG. 1) and the lengths 2 arranged in the n + 1th layer (for example, the second layer from the bottom in FIG. 1). The fibers 3 intersect with each other in a top view when the stacking direction is on the upper side, and are non-parallel to each other. Here, n is a positive integer. More specifically, assuming that the number of layers of the complex 1 is m, n is an integer in the range of 1 to (m-1).
In FIG. 1, in order to clearly indicate the intersection of the long fibers 3, one long fiber 3 incorporated in each layer 2 is shown by a broken line.
 複合体1を構成する各々の層2(特に、マトリックス樹脂4)には、複数の空隙(図示せず)が形成されている。
 複合体1の空隙率は、3~20%である。
A plurality of voids (not shown) are formed in each of the layers 2 (particularly, the matrix resin 4) constituting the complex 1.
The porosity of the complex 1 is 3 to 20%.
 このような複合体1は、耐熱性に優れる。
 その理由は、次のように推測される。
 まず、複合体1には、1方向に長い長繊維3が層2ごとに互い違いに内蔵されている。これにより、複合体1は、例えば、短い繊維がランダムに内部に分散している複合体と比較して、熱により崩壊しにくい強靭な構造になっていると考えられる。
 更に、複合体1は、適度に空隙を有することで適量の空気を内包し、これにより、良好な断熱性を有すると考えられる。
 加えて、複合体1が適度に空隙を有することで、マトリックス樹脂4の分解によるガスが揮発しやすくなり、吸熱効果が得られると考えられる。これにより、高温環境下に置かれた複合体1を冷却でき、複合体1の耐熱性が向上すると考えられる。
Such a complex 1 is excellent in heat resistance.
The reason is presumed as follows.
First, in the complex 1, long fibers 3 long in one direction are alternately incorporated in each layer 2. As a result, it is considered that the complex 1 has a tough structure that is less likely to collapse due to heat than, for example, a complex in which short fibers are randomly dispersed inside.
Further, it is considered that the complex 1 contains an appropriate amount of air by having an appropriate void, thereby having good heat insulating properties.
In addition, it is considered that when the complex 1 has appropriate voids, the gas due to the decomposition of the matrix resin 4 is easily volatilized, and an endothermic effect can be obtained. It is considered that this makes it possible to cool the complex 1 placed in a high temperature environment and improve the heat resistance of the complex 1.
 複合体1の空隙率は、複合体1の耐熱性がより優れるという理由から、6%以上が好ましく、8%以上がより好ましく、10%以上が更に好ましい。
 一方、複合体1の空隙率は、複合体1の強度を維持しつつ複合体1の耐熱性がより優れるという理由から、18%以下が好ましく、16%以下がより好ましく、14%以下が更に好ましい。
The porosity of the complex 1 is preferably 6% or more, more preferably 8% or more, still more preferably 10% or more, because the heat resistance of the complex 1 is more excellent.
On the other hand, the porosity of the complex 1 is preferably 18% or less, more preferably 16% or less, further preferably 14% or less, because the heat resistance of the complex 1 is more excellent while maintaining the strength of the complex 1. preferable.
 空隙率は、JIS K 7075に記載の燃焼法により測定できる。
 また、空隙率は、上記燃焼法による相関を確認することにより、X線CT(X-ray Computed Tomography)法でも見積もれる。
 上記X線CT法を用いた空隙率の測定方法は、以下のとおりである。
 まず、複合体1について、X線CT装置を用いて、スキャン画像を取得する。X線CT装置としては、例えば、島津製作所社製のSMX-225CT FPDを使用できる。複合体1のスキャン画像を取得する条件としては、例えば、管電圧が75kV、管電流が70μA、スキャン画像のサイズが1024ピクセル×1024ピクセル、スライス厚が0.104mm、走査確度が360°という条件が挙げられる。
 次に、取得したスキャン画像から、解析ソフトウェアを用いて、ボイド率を算出する。解析ソフトウェアとしては、例えば、Volume Graphics社製のVS Studio MAXを使用できる。解析アルゴリズムは、上記解析ソフトウェアにあるVG Easy Poreを用いる。解析モードは、相対モードを選択する。最小ボクセルサイズは、8ボクセルとする。得られた解析結果に対して、空隙を明確に識別できるように、空隙と、マトリックス樹脂4および長繊維3との界面の閾値の濃淡レベルを調整する。具体的には、グレイバリューのコントラスト、空隙の内部クリーニングのレベルなどのパラメータを調整する。上記燃焼法により測定される空隙率を参考にして、このパラメータを調整する。
The porosity can be measured by the combustion method described in JIS K 7075.
The porosity can also be estimated by the X-ray CT (X-ray Computed Tomography) method by confirming the correlation by the combustion method.
The method for measuring the porosity using the X-ray CT method is as follows.
First, a scanned image of the complex 1 is acquired using an X-ray CT apparatus. As the X-ray CT apparatus, for example, SMX-225CT FPD manufactured by Shimadzu Corporation can be used. The conditions for acquiring the scan image of the composite 1 are, for example, a tube voltage of 75 kV, a tube current of 70 μA, a scan image size of 1024 pixels × 1024 pixels, a slice thickness of 0.104 mm, and a scan accuracy of 360 °. Can be mentioned.
Next, the void ratio is calculated from the acquired scanned image using analysis software. As the analysis software, for example, VS Studio MAX manufactured by Volume Graphics can be used. As the analysis algorithm, VG Easy Pole in the above analysis software is used. Select the relative mode as the analysis mode. The minimum voxel size is 8 voxels. With respect to the obtained analysis result, the shade level of the threshold value of the interface between the void and the matrix resin 4 and the long fiber 3 is adjusted so that the void can be clearly identified. Specifically, parameters such as gray value contrast and the level of internal cleaning of voids are adjusted. This parameter is adjusted with reference to the porosity measured by the above combustion method.
 以下、複合体1を、より詳細に説明する。 Hereinafter, the complex 1 will be described in more detail.
 複合体1を上面側または下面側から見て、n層目の長繊維3の長手方向に対する、n+1層目の長繊維3の長手方向の角度(以下、「交差角度」ともいう)は、0°超であれば特に限定されず、好ましくは45°以上である。図1には、交差角度が90°である場合を例に示している。 When the complex 1 is viewed from the upper surface side or the lower surface side, the angle in the longitudinal direction of the long fibers 3 of the n + 1th layer (hereinafter, also referred to as “intersection angle”) with respect to the longitudinal direction of the long fibers 3 of the nth layer is 0. If it exceeds °, it is not particularly limited, and is preferably 45 ° or more. FIG. 1 shows an example in which the crossing angle is 90 °.
 複合体1のサイズ(厚さ等)は、特に限定されず、用途等に応じて適宜設定される。
 複合体1は、図1では3層であるが、2層以上であれば特に限定されない。複合体1の層数は、複合体1の厚さ等に応じて適宜設定される。
 複合体1は、図1では直方体であるが、これに限定されない。例えば、層2ごとに大きさ(厚さ方向と直交する方向の長さ)が異なり、段差が設けられていてもよい。
The size (thickness, etc.) of the complex 1 is not particularly limited, and is appropriately set according to the intended use and the like.
The complex 1 has three layers in FIG. 1, but is not particularly limited as long as it has two or more layers. The number of layers of the complex 1 is appropriately set according to the thickness of the complex 1 and the like.
Complex 1 is a rectangular parallelepiped in FIG. 1, but is not limited thereto. For example, each layer 2 may have a different size (length in a direction orthogonal to the thickness direction) and may be provided with a step.
 層2の厚さは、層2ごとに、同一でも異なっていてもよいが、複合体1の耐熱性がより優れ、かつ、得られる複合体1の均質性が高くなり機械的物性を設計しやすいという理由から、同一が好ましい。
 層2の厚さは、複合体1の厚さ等に応じて適宜設定されるが、例えば、0.1mm以上であり、0.2mm以上が好ましい。一方、0.5mm以下が好ましく、0.4mm以下がより好ましい。
 層2の厚さは、走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡またはレーザ顕微鏡を用いて測定することにより得られる値であり、任意の5点の平均値である。
The thickness of the layer 2 may be the same or different for each layer 2, but the heat resistance of the complex 1 is more excellent, and the homogeneity of the obtained complex 1 is improved, so that the mechanical properties are designed. The same is preferred because it is easy.
The thickness of the layer 2 is appropriately set according to the thickness of the complex 1 and the like, but is, for example, 0.1 mm or more, preferably 0.2 mm or more. On the other hand, 0.5 mm or less is preferable, and 0.4 mm or less is more preferable.
The thickness of the layer 2 is a value obtained by measuring using a scanning electron microscope (SEM), an optical microscope, or a laser microscope, and is an average value of any five points.
 複合体1が含有する長繊維3としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、シリカ繊維(石英繊維)、炭化ケイ素(SiC)繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、ボロン繊維等の無機系繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維等の有機系繊維等が挙げられる。複合体1は、これらの2種以上を含有してもよい。
 これらのうち、複合体1の耐熱性がより優れるという理由から、無機系繊維が好ましく、炭素繊維がより好ましい。
Examples of the long fibers 3 contained in the composite 1 include carbon fibers, glass fibers, silica fibers (quartz fibers), silicon carbide (SiC) fibers, alumina fibers, zirconia fibers, boron fibers and other inorganic fibers, and aramid fibers. , Nylon fiber, polyester fiber, organic fiber such as PBO (polyparaphenylene benzobisoxazole) fiber and the like. Complex 1 may contain two or more of these.
Of these, inorganic fibers are preferable, and carbon fibers are more preferable, because the heat resistance of the complex 1 is more excellent.
 長繊維3は、例えば、一方向に長い円柱形状の材料である。
 長繊維3の長さ(長手方向の距離)は、10cm以上であることが好ましく、その大部分が層2の繊維切断面である一方の側面から他方の側面までの距離であることがより好ましい。
 長繊維3の直径は、複合体1が高強度になるという理由から、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましい。一方、長繊維3の直径は、後述する線状体5(図2参照)を製造しやすいという理由から、20μm以下が好ましく、15μm以下がより好ましい。
 長繊維3の直径は、走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡またはレーザ顕微鏡を用いて測定することにより得られる値であり、任意の5点の平均値である。
The long fiber 3 is, for example, a material having a cylindrical shape that is long in one direction.
The length (distance in the longitudinal direction) of the long fibers 3 is preferably 10 cm or more, and more preferably the distance from one side surface to the other side surface, which is the fiber cutting surface of the layer 2. ..
The diameter of the long fibers 3 is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, because the complex 1 has high strength. On the other hand, the diameter of the long fiber 3 is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, because it is easy to manufacture the linear body 5 (see FIG. 2) described later.
The diameter of the long fiber 3 is a value obtained by measuring using a scanning electron microscope (SEM), an optical microscope, or a laser microscope, and is an average value of any five points.
 複合体1における長繊維3の含有量は、複合体1の強度を維持しつつ複合体1の耐熱性がより優れるという理由から、20質量%以上が好ましく、40質量%以上がより好ましい。
 一方、複合体1を成形しやすくし、かつ、層2どうしを接着するマトリックス樹脂4の量を十分に確保するという理由から、複合体1における長繊維3の含有量は、80質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましい。
 長繊維3の含有量は、熱重量分析(TGA)によって測定する。
The content of the long fibers 3 in the complex 1 is preferably 20% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, because the heat resistance of the complex 1 is more excellent while maintaining the strength of the complex 1.
On the other hand, the content of the long fibers 3 in the complex 1 is 80% by mass or less for the reason that the complex 1 can be easily molded and the amount of the matrix resin 4 for adhering the layers 2 to each other is sufficiently secured. It is preferably 60% by mass or less, more preferably 60% by mass or less.
The content of long fibers 3 is measured by thermogravimetric analysis (TGA).
 複合体1におけるマトリックス樹脂4が含む熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド(PA)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリスチレン(PS)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリフェニルスルホン(PPSU)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、芳香族ポリエーテルケトン(PAEK)などが挙げられる。
 これらのうち、融点、分解温度および機械強度が高く、複合体1の耐熱性がより優れるという理由から、PAEKが好ましい。
Examples of the thermoplastic resin contained in the matrix resin 4 in the composite 1 include polyethylene, polypropylene, polyamide (PA), polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polystyrene (PS), polyphthalamide (PPA), and the like. Examples thereof include polyphenylsulfone (PPSU), liquid crystal polymer (LCP), polyetherimide (PEI), polyphenylsulfide (PPS), aromatic polyetherketone (PAEK) and the like.
Of these, PAEK is preferable because it has a high melting point, decomposition temperature, and mechanical strength, and the heat resistance of the complex 1 is more excellent.
 PAEKとしては、例えば、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)などが挙げられる。
 これらのうち、融点、分解温度および機械強度がより高く、複合体1の耐熱性が更に優れ、耐薬品性にも優れるという理由から、PEEKが好ましい。
Examples of PAEK include polyetherketone (PEK), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK), and polyetheretherketoneketone (PEEKK).
Of these, PEEK is preferable because it has a higher melting point, decomposition temperature, and mechanical strength, further excellent heat resistance of the complex 1, and excellent chemical resistance.
 マトリックス樹脂4は、その他の樹脂を含んでいてもよく、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ、ポリイミド(PI)などの熱硬化性樹脂が挙げられる。 The matrix resin 4 may contain other resins, and examples thereof include thermosetting resins such as unsaturated polyester, epoxy, and polyimide (PI).
 マトリックス樹脂4のメルトフローレート(MFR)は、複合体1の衝撃性が優れるという理由から、2,000g/10分以下が好ましい。
 一方、後述するように複合体1を製造する際にマトリックス樹脂4が変形しやすいという理由から、マトリックス樹脂4のMFRは、1g/10分以上が好ましい。
 メルトフローレート(MFR)は、ASTM D1238に準拠して測定できる。
The melt flow rate (MFR) of the matrix resin 4 is preferably 2,000 g / 10 minutes or less because the impact resistance of the complex 1 is excellent.
On the other hand, the MFR of the matrix resin 4 is preferably 1 g / 10 minutes or more because the matrix resin 4 is easily deformed when the complex 1 is produced as described later.
Melt flow rate (MFR) can be measured according to ASTM D1238.
 マトリックス樹脂4の窒素下5%質量減少温度は、150℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましく、500℃以上が更に好ましい。この場合、高温環境下に曝された複合体1が熱分解されにくい。また、熱分解により発生するガスが複合体1を覆うことで断熱効果が得られる。
 一方、マトリックス樹脂4の窒素下5%質量減少温度は、1,000℃以下が好ましく、800℃以下がより好ましく、600℃以下が更に好ましい。この場合、後述するように複合体1を製造する際に、マトリックス樹脂4が溶融しやすく、長繊維3との密着性が優れる。
 窒素下5%質量減少温度は、窒素下、10℃/分の条件で、熱重量分析(TGA)を用いて、質量減少温度を測定し、測定開始時の質量を基準として、質量が5%減量する温度である。
The 5% mass reduction temperature of the matrix resin 4 under nitrogen is preferably 150 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher, still more preferably 500 ° C. or higher. In this case, the complex 1 exposed to a high temperature environment is less likely to be thermally decomposed. Further, the heat insulating effect can be obtained by covering the complex 1 with the gas generated by the thermal decomposition.
On the other hand, the 5% mass reduction temperature of the matrix resin 4 under nitrogen is preferably 1,000 ° C. or lower, more preferably 800 ° C. or lower, and even more preferably 600 ° C. or lower. In this case, when the composite 1 is manufactured as described later, the matrix resin 4 is easily melted and the adhesion to the long fibers 3 is excellent.
The mass loss temperature of 5% under nitrogen is measured at 10 ° C./min under nitrogen using thermogravimetric analysis (TGA), and the mass is 5% based on the mass at the start of measurement. The temperature at which weight is reduced.
 マトリックス樹脂4の熱変形温度は、100℃以上が好ましく、150℃以上がより好ましく、160℃以上が更に好ましい。この場合、複合体1は、変形しにくく高品質である。
 一方、マトリックス樹脂4の熱変形温度は、500℃以下が好ましく、450℃以下がより好ましい。この場合、後述するように複合体1を製造する際に、マトリックス樹脂4が溶融しやすく、層2どうしの密着性に優れる。
 熱変形温度は、ISO75(JIS K 7191)のA法(1.8MPa)に準拠して求める荷重たわみ温度である。
The thermal deformation temperature of the matrix resin 4 is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, and even more preferably 160 ° C. or higher. In this case, the complex 1 is not easily deformed and is of high quality.
On the other hand, the thermal deformation temperature of the matrix resin 4 is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 450 ° C. or lower. In this case, when the complex 1 is manufactured as described later, the matrix resin 4 is easily melted, and the adhesion between the layers 2 is excellent.
The heat distortion temperature is the deflection temperature under load obtained in accordance with the method A (1.8 MPa) of ISO75 (JIS K 7191).
 複合体1の機械的特性、熱的特性、電気的特性、加工性等を向上させるため、複合体1を構成する各々の層2は、更に、フィラー(ただし、長繊維3およびマトリックス樹脂4を除く)や添加剤を含有してもよい。
 フィラーとしては、例えば、短い炭素繊維、シリカ、タルク、短いガラス繊維、酸化チタンなどの無機フィラー、短いポリエステル繊維、短いセルロース繊維などの有機フィラー等が挙げられる。そのほか、添加剤として、上記以外の無機粉体、上記以外の有機粉体、フッ素樹脂粉体、エラストマー粉体、繊維処理剤なども使用できる。
In order to improve the mechanical properties, thermal properties, electrical properties, workability, etc. of the complex 1, each layer 2 constituting the complex 1 further contains a filler (however, long fibers 3 and a matrix resin 4). Excludes) and additives may be included.
Examples of the filler include short carbon fibers, silica, talc, short glass fibers, inorganic fillers such as titanium oxide, short polyester fibers, and organic fillers such as short cellulose fibers. In addition, as additives, inorganic powders other than the above, organic powders other than the above, fluororesin powders, elastomer powders, fiber treatment agents and the like can also be used.
 複合体1の熱変形温度は、190℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましく、210℃以上が更に好ましく、300℃以上が特に好ましい。この場合、複合体1は、高温環境下で変形しにくく、寸法安定性に優れる。
 一方、複合体1の熱変形温度は、500℃以下が好ましく、450℃以下がより好ましく、400℃以下がさらに好ましい。この場合、複合体1を製造する際に、層2どうしの密着性に優れる。
The thermal deformation temperature of the complex 1 is preferably 190 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher, further preferably 210 ° C. or higher, and particularly preferably 300 ° C. or higher. In this case, the complex 1 is not easily deformed in a high temperature environment and has excellent dimensional stability.
On the other hand, the thermal deformation temperature of the complex 1 is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 450 ° C. or lower, and even more preferably 400 ° C. or lower. In this case, when the complex 1 is manufactured, the adhesion between the layers 2 is excellent.
[複合体の用途]
 複合体1の用途は、特に限定されない。複合体1の用途の具体例としては、モビリティ用部品(自動車、自転車、船舶、航空機、電動垂直離着陸機、宇宙機等に用いる部品)、建築用部品、電子機器用部品等の部品が挙げられる。複合体1を、これらの部品の枠体、翼、骨組み、外装材、内装材などに使用できる。
[Use of complex]
The use of the complex 1 is not particularly limited. Specific examples of applications of the complex 1 include parts for mobility (parts used for automobiles, bicycles, ships, aircraft, electric vertical take-off and landing aircraft, spacecraft, etc.), building parts, parts for electronic devices, and the like. .. The complex 1 can be used for the frame, wings, skeleton, exterior material, interior material, and the like of these parts.
[複合体の製造方法]
 次に、図2および図3に基づいて、複合体1を製造する方法の一例を説明する。
 図2は、線状体5を示す斜視図である。図3は、層2を示す斜視図である。
 線状体5は、上述した長繊維3(例えば炭素繊維)および熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂4により構成される円柱形状の材料である。線状体5の断面形状は、円または楕円である。1本の線状体5には、複数本の長繊維3が内蔵され、長繊維3は線状体5の長さ方向に配列し、その大部分は線状体5の先端から末端まで連続している。線状体5は、その長さ方向に配置された連続繊維とマトリックス樹脂を有し、その長さが連続繊維と同じ長さの長尺線状体であることが好ましい。このような長尺線状体を用いることにより、フィラメントワインディング法、その他の長繊維強化樹脂成形法によって、長繊維が所定方向に配列した複合体を製造することができる。
[Method for manufacturing complex]
Next, an example of a method for producing the complex 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 is a perspective view showing the linear body 5. FIG. 3 is a perspective view showing the layer 2.
The linear body 5 is a cylindrical material composed of the above-mentioned long fibers 3 (for example, carbon fibers) and a matrix resin 4 containing a thermoplastic resin. The cross-sectional shape of the linear body 5 is a circle or an ellipse. A plurality of long fibers 3 are built in one linear body 5, and the long fibers 3 are arranged in the length direction of the linear body 5, and most of them are continuous from the tip to the end of the linear body 5. doing. The linear body 5 has continuous fibers and a matrix resin arranged in the length direction thereof, and is preferably a long linear body having the same length as the continuous fibers. By using such a long linear body, a composite in which long fibers are arranged in a predetermined direction can be produced by a filament winding method or another long fiber reinforced resin molding method.
 一例として図1に示す形状の複合体1を製造する場合、まず、1本の線状体5(図2参照)を溶融させたうえで押圧する。押圧後の線状体5に隣接させて、別の線状体5を並列配置し、同様に溶融させて押圧する。これを繰り返すことにより、1枚の層2(図3参照)を形成する。
 次に、線状体5の向きを変えて、同様に1枚の層2を形成する。
 複数枚の層2を積層することにより、上述した複合体1(図1参照)が得られる。
As an example, when producing the complex 1 having the shape shown in FIG. 1, one linear body 5 (see FIG. 2) is first melted and then pressed. Another linear body 5 is arranged in parallel next to the pressed linear body 5, and similarly melted and pressed. By repeating this, one layer 2 (see FIG. 3) is formed.
Next, the direction of the linear body 5 is changed to form one layer 2 in the same manner.
By laminating a plurality of layers 2, the above-mentioned complex 1 (see FIG. 1) can be obtained.
 使用する線状体5の長さおよび直径などは、形成される層2および複合体1に応じて、適宜選択される。
 例えば、線状体5の直径としては1~2mmが挙げられ、線状体5に内蔵される長繊維3の本数としては5,000~50,000本が挙げられるが、これらに限定されない。
The length and diameter of the linear body 5 to be used are appropriately selected according to the layer 2 and the complex 1 to be formed.
For example, the diameter of the linear body 5 is 1 to 2 mm, and the number of long fibers 3 incorporated in the linear body 5 is 5,000 to 50,000, but the diameter is not limited thereto.
 線状体5における長繊維3の断面密度は、得られる複合体1が高強度になるという理由から、7,000本/mm以上が好ましく、10,000本/mm以上がより好ましい。
 一方、線状体5における長繊維3の断面密度は、20,000本/mm以下が好ましく、18,000本/mm以下がより好ましい。この場合、長繊維3がマトリックス樹脂4と馴染みやすくなり、長繊維3とマトリックス樹脂4との密着性が向上する。その結果、得られる複合体1の強度を向上できる。
Sectional density of the long fibers 3 in linear body 5, the reason that complex 1 obtained becomes high strength is preferably 7,000 / mm 2 or more, 10,000 / mm 2 or more is more preferable.
Meanwhile, cross-sectional density of the long fibers 3 in the linear member 5 is preferably 20,000 / mm 2 or less, more preferably 18,000 / mm 2 or less. In this case, the long fibers 3 become more compatible with the matrix resin 4, and the adhesion between the long fibers 3 and the matrix resin 4 is improved. As a result, the strength of the obtained complex 1 can be improved.
 線状体5における長繊維3の含有量を、得られる複合体1における長繊維3の含有量とみなすことができる。 The content of the long fibers 3 in the linear body 5 can be regarded as the content of the long fibers 3 in the obtained complex 1.
 このような複合体1の製造は、3次元(3D)プリンタを用いて、熱溶解積層法(Fused Deposition Modeling、FDM)または指向エネルギー堆積法(Directed energy deposition、DED)に基づいて行なうことが好ましい。これは、比較的に大型の複合体1を高精細に作製でき、マトリックス樹脂4として様々な熱可塑性樹脂を用いた線状体5を使用できるからである。
 マトリックス樹脂4(熱可塑性樹脂)がPAEK(とりわけPEEK)である線状体5を使用する場合、層2どうしの密着力を向上できるという理由から、指向エネルギー堆積法に基づいて行なうことがより好ましい。
The production of such a complex 1 is preferably carried out using a three-dimensional (3D) printer based on Fused Deposition Modeling (FDM) or Directed energy deposition (DED). .. This is because a relatively large complex 1 can be produced with high definition, and a linear body 5 using various thermoplastic resins can be used as the matrix resin 4.
When the linear body 5 in which the matrix resin 4 (thermoplastic resin) is PAEK (particularly PEEK) is used, it is more preferable to use the directed energy deposition method because the adhesion between the layers 2 can be improved. ..
 具体的には、例えば、まず、スプール等に巻かれた長尺の線状体5を、3Dプリンタのヘッドから、ビルドプレート等の上に排出して、レーザ光を照射する。レーザ光が照射された線状体5においては、レーザ光を吸収した長繊維3(例えば炭素繊維)からの熱伝導によって、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂4が溶融する。
 次に、マトリックス樹脂4が溶融した線状体5を、3Dプリンタの圧縮ローラを用いて押圧する。その後、冷却された線状体5を切断して、3Dプリンタのヘッドから切り離す。
 このような線状体5の排出、レーザ光の照射、圧縮ローラによる押圧、および、切断を繰り返すことにより、層2を形成し、ひいては、複合体1を製造する。
Specifically, for example, first, a long linear body 5 wound on a spool or the like is discharged from the head of a 3D printer onto a build plate or the like to irradiate the laser beam. In the linear body 5 irradiated with the laser light, the matrix resin 4 containing the thermoplastic resin is melted by heat conduction from the long fibers 3 (for example, carbon fibers) that have absorbed the laser light.
Next, the linear body 5 in which the matrix resin 4 is melted is pressed by using a compression roller of a 3D printer. Then, the cooled linear body 5 is cut and separated from the head of the 3D printer.
By repeating such discharge of the linear body 5, irradiation of laser light, pressing by a compression roller, and cutting, the layer 2 is formed, and eventually the complex 1 is manufactured.
 線状体5の重複率を調整することにより、最終的に得られる複合体1の空隙率を調整できる。
 線状体5の重複率は、20%以下が好ましく、15%以下がより好ましく、10%以下が更に好ましく、5%以下が特に好ましく、0%以下が最も好ましい。この場合、複合体1の空隙率を調整しつつ、各々の層2を形成した後の最表面を平滑にできる。
 一方、線状体5の重複率は、-10%以上が好ましく、-5%以上がより好ましく、-3%以上が更に好ましい。この場合、複合体1の強度を保ちつつ、複合体1の空隙率を低下できる。
 線状体5の重複率とは、隣り合う線状体5どうしが重なり合う幅(重複幅)を、線状体5の直径で除し、百分率で表した値である。マイナスの値は、隣り合う線状体5どうしの間に溝が存在することを意味し、重複幅の代わりに、その溝の最短距離を用いる。
By adjusting the overlap rate of the linear body 5, the porosity of the finally obtained complex 1 can be adjusted.
The overlap rate of the linear body 5 is preferably 20% or less, more preferably 15% or less, further preferably 10% or less, particularly preferably 5% or less, and most preferably 0% or less. In this case, the outermost surface after forming each layer 2 can be smoothed while adjusting the porosity of the complex 1.
On the other hand, the overlap rate of the linear body 5 is preferably −10% or more, more preferably −5% or more, further preferably -3% or more. In this case, the porosity of the complex 1 can be reduced while maintaining the strength of the complex 1.
The overlapping rate of the linear bodies 5 is a value expressed as a percentage by dividing the width (overlapping width) at which adjacent linear bodies 5 overlap each other by the diameter of the linear bodies 5. A negative value means that a groove exists between the adjacent linear bodies 5, and the shortest distance of the groove is used instead of the overlapping width.
 以下に、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
 以下、例1は実施例であり、例2は比較例である。 Hereinafter, Example 1 is an example, and Example 2 is a comparative example.
 〈例1〉
 図1に基づいて説明した複合体を、図2および図3に基づいて説明した方法に基づいて作製し、アーク加熱試験に供した。以下、詳細に説明する。
<Example 1>
The complex described with reference to FIG. 1 was made according to the method described with reference to FIGS. 2 and 3 and subjected to an arc heating test. Hereinafter, a detailed description will be given.
 《複合体の作製》
 6軸多関節アームを有し、その先端に線状体を排出(印刷)するヘッドが設けられた3Dプリンタを用いて、複合体を作製した。
<< Preparation of complex >>
A complex was produced using a 3D printer having a 6-axis articulated arm and a head for discharging (printing) a linear body at the tip thereof.
 使用した線状体は、複数本の連続炭素繊維(線状体の長さと同じ長さを有する)を内蔵しており、その詳細は、以下のとおりである。
 ・線状体の直径:1.5mm
 ・線状体1本あたりの炭素繊維の本数:11,000本
 ・炭素繊維の直径:8μm
 ・炭素繊維の含有量:56.5質量%
 ・マトリックス樹脂:PEEK(融点:343℃、MFR:36g/10分)
 ・マトリックス樹脂の窒素下5%質量減少温度:556℃
 ・マトリックス樹脂の熱変形温度:160℃
The linear body used contains a plurality of continuous carbon fibers (having the same length as the linear body), and the details thereof are as follows.
-Diameter of striatum: 1.5 mm
・ Number of carbon fibers per linear body: 11,000 ・ Carbon fiber diameter: 8 μm
-Carbon fiber content: 56.5% by mass
-Matrix resin: PEEK (melting point: 343 ° C., MFR: 36 g / 10 minutes)
・ 5% mass reduction temperature of matrix resin under nitrogen: 556 ° C
・ Thermal deformation temperature of matrix resin: 160 ℃
 使用した線状体について、その他の物性は、以下のとおりである。
 ・引張強度:1,200MPa
 ・引張弾性係数:105GPa
 ・比重:1.5×10-3kg/m
Other physical characteristics of the used linear body are as follows.
-Tensile strength: 1,200 MPa
-Tension elastic modulus: 105 GPa
-Specific gravity: 1.5 x 10 -3 kg / m 3
 なお、線状体は、使用する前に乾燥した。具体的には、スプールに巻かれた線状体を、オーブン(PVH-331M、エスペック社製)に入れて、空気雰囲気下、100℃で、8時間乾燥した。
 乾燥後、線状体ワインダ(UniSpooler、Showmark社製)を用いて、線状体を、金属製スプールに巻き替えた。
 その後、線状体が巻かれた金属製スプールを、3Dプリンタに設置した。
The linear body was dried before use. Specifically, the linear body wound on the spool was placed in an oven (PVH-331M, manufactured by ESPEC) and dried at 100 ° C. for 8 hours in an air atmosphere.
After drying, the striatum was rewound into a metal spool using a linear winder (UniSpooler, manufactured by Showmark).
After that, a metal spool around which a linear body was wound was installed in a 3D printer.
 3Dプリンタを動作させる前に、まず、アーク加熱試験用複合体として寸法が150mm×150mm×30mmである複合体のデータを作成した。
 作成したデータにおいては、ヘッドから排出される線状体の長手方向を、層ごとに、互い違いにした(交差角度を90°にした)。すなわち、1層目の線状体の長手方向の角度を0°としたとき、2層目は90°、3層目は0°とし、以下、これを繰り返すようにした。
 各層において、線状体の重複率が-5%になるように、データを作成した。
Before operating the 3D printer, first, data of a complex having dimensions of 150 mm × 150 mm × 30 mm was created as a complex for an arc heating test.
In the created data, the longitudinal direction of the linear body discharged from the head was staggered for each layer (intersection angle was set to 90 °). That is, when the angle in the longitudinal direction of the linear body of the first layer was 0 °, the angle of the second layer was 90 ° and that of the third layer was 0 °, and this was repeated thereafter.
Data were created so that the overlap rate of the striatum was -5% in each layer.
 作成したデータに基づいて、3Dプリンタを動作させて、ビルドプレート上で、複合体の作製を開始した。なお、ビルドプレートの表面には、熱拡散のために、ポリカーボネート製シートを、予め、真空引きにより密着させておいた。 Based on the created data, the 3D printer was operated and the production of the complex was started on the build plate. A polycarbonate sheet was previously attached to the surface of the build plate by vacuuming for heat diffusion.
 具体的には、まず、線状体を、3Dプリンタが備えるアキュムレータによって適切な張力でヘッドまで送り出し、30mm/秒の速度でヘッドから排出した。
 この間、送り出し不良などの発生を直ちに検出するため、カメラを用いて線状体の状態をモニタリングした。
Specifically, first, the linear body was sent out to the head with an appropriate tension by an accumulator provided in the 3D printer, and discharged from the head at a speed of 30 mm / sec.
During this period, the condition of the striatum was monitored using a camera in order to immediately detect the occurrence of defective delivery.
 次に、ヘッドから排出された線状体に、3Dプリンタが備えるレーザから、レーザ光を照射した。レーザ光が照射された線状体においては、炭素繊維がレーザ光を吸収し、炭素繊維からの熱伝導によって、熱可塑性樹脂であるPEEKが溶融した。
 レーザ光の照射中、IRカメラ(Thermal viewer、FLIR社製)を用いて、線状体の温度をモニタリングした。IRカメラのモニタに表示される仮想温度を監視し、線状体の温度が400℃以上500℃以下の範囲となるように、レーザ光の出力を制御した。
 レーザ光の照射中は、3Dプリンタが備えるチューブから窒素を線状体に噴射し、レーザ光の照射による線状体の燃焼を阻害した。
Next, the linear body discharged from the head was irradiated with a laser beam from a laser provided in the 3D printer. In the linear body irradiated with the laser light, the carbon fibers absorbed the laser light, and the heat conduction from the carbon fibers melted PEEK, which is a thermoplastic resin.
During the irradiation of the laser beam, the temperature of the striatum was monitored using an IR camera (Thermal viewer, manufactured by FLIR). The virtual temperature displayed on the monitor of the IR camera was monitored, and the output of the laser beam was controlled so that the temperature of the linear body was in the range of 400 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
During the irradiation of the laser beam, nitrogen was injected onto the linear body from the tube provided in the 3D printer to inhibit the combustion of the linear body due to the irradiation of the laser light.
 そして、レーザ光が照射された線状体を、3Dプリンタが備える圧縮ローラを用いて押圧した。このとき、押圧後の線状体の高さが0.35mmになるよう、圧縮ローラを制御した。 Then, the linear body irradiated with the laser beam was pressed using the compression roller provided in the 3D printer. At this time, the compression roller was controlled so that the height of the linear body after pressing was 0.35 mm.
 レーザ光の照射および圧縮ローラによる押圧の後は、チューブから空気を線状体に噴射し、線状体を冷却した。
 冷却後、線状体トを、ヘッドに設けられたカッターにより切断し、ヘッドから切り離した。
After irradiation with the laser beam and pressing by the compression roller, air was blown from the tube onto the striatum to cool the striatum.
After cooling, the linear body was cut by a cutter provided on the head and separated from the head.
 このような線状体の排出、レーザ光の照射、圧縮ローラによる押圧、および、切断を繰り返すことにより、アーク加熱試験用の複合体をそれぞれ作製した。
 なお、複合体は、作製後にビルドプレートから剥がし、表面を研磨した。
 作製したアーク加熱試験用の複合体の空隙率及び熱変形温度を、上述した方法により求めたところ、空隙率は12%であり、熱変形温度は350℃であった。
 また、アーク加熱試験用の複合体は約43層を有した。
By repeating such discharge of the linear body, irradiation of the laser beam, pressing by the compression roller, and cutting, a complex for an arc heating test was prepared.
The complex was peeled off from the build plate after preparation, and the surface was polished.
When the porosity and the thermal deformation temperature of the produced complex for the arc heating test were determined by the above-mentioned method, the porosity was 12% and the thermal deformation temperature was 350 ° C.
In addition, the complex for the arc heating test had about 43 layers.
 《アーク加熱試験》
 作製したアーク加熱試験用複合体(寸法:150mm×150mm×30mm)から、直径20mmおよび高さ30mmの円柱形状の試験体をくり抜いて、アーク加熱試験に供した。
 アーク加熱試験は、大気圏再突入の状態を模擬した試験である。概略的には、アーク放電により高熱含量の気流を生成し、これにより、試験体を加熱した。
《Arc heating test》
From the prepared composite for arc heating test (dimensions: 150 mm × 150 mm × 30 mm), a cylindrical test piece having a diameter of 20 mm and a height of 30 mm was hollowed out and subjected to an arc heating test.
The arc heating test is a test that simulates the state of re-entry into the atmosphere. In general, the arc discharge generated a high thermal content airflow, which heated the specimen.
 より詳細には、アーク加熱試験は、宇宙航空研究開発機構(相模原キャンパス)の750kWアーク加熱風洞において、以下のように実施した。
 まず、密閉された測定室の内部に試験体を置いた。円柱形状である試験体の一方の底面を、熱源であるアーク加熱器に対面させた。アーク加熱器から試験体の底面までの距離を100mmとした。
 次に、アーク加熱器にて電流制御(2,000kW、直流電源)されたアーク放電を発生させて、空気からなる作動ガスを加熱した。加熱により作動ガスが膨張し、測定室の内部において、高熱含量の気流が生成された。生成した気流によって、試験体を加熱した。加熱率は4.75MW/m、加熱時間は25秒とした。
More specifically, the arc heating test was carried out in the 750 kW arc heating wind tunnel of the Japan Aerospace Exploration Agency (Sagamihara Campus) as follows.
First, the test piece was placed inside a closed measurement room. One bottom surface of the cylindrical test piece was made to face the arc heater which is a heat source. The distance from the arc heater to the bottom surface of the test piece was set to 100 mm.
Next, an arc discharge controlled by a current (2,000 kW, DC power supply) was generated by an arc heater to heat a working gas composed of air. The working gas expanded due to heating, and an air flow with a high heat content was generated inside the measurement chamber. The test piece was heated by the generated airflow. The heating rate was 4.75 MW / m 2 , and the heating time was 25 seconds.
 加熱時の試験体の温度を測定した。
 具体的には、試験体の底面の表面温度、ならびに、試験体の底面から5mm、10mmおよび15mmの距離の内部温度を、それぞれ測定した。表面温度は、放射温度計を用いて赤外線強度から測定した。内部温度は、試験体の内部に差し込んだ熱電対によって測定した。
 測定結果を、図4のグラフに示す。
 図4は、アーク加熱試験の結果(試験体の温度)を示すグラフであり、横軸が底面からの距離(単位:mm)、縦軸が温度(表面温度または内部温度、単位:℃)を表す。
The temperature of the test piece during heating was measured.
Specifically, the surface temperature of the bottom surface of the test body and the internal temperature at distances of 5 mm, 10 mm, and 15 mm from the bottom surface of the test body were measured, respectively. The surface temperature was measured from the infrared intensity using a radiation thermometer. The internal temperature was measured by a thermocouple inserted inside the test piece.
The measurement results are shown in the graph of FIG.
FIG. 4 is a graph showing the result of the arc heating test (temperature of the test piece). The horizontal axis represents the distance from the bottom surface (unit: mm), and the vertical axis represents the temperature (surface temperature or internal temperature, unit: ° C.). show.
 更に、アーク加熱試験の前後において、試験体の質量を測定し、質量の減少速度(単位:kg/(秒・m))を算出した。結果を下記表1に示す。 Further, before and after the arc heating test, the mass of the test piece was measured, and the rate of decrease in mass (unit: kg / (sec · m 2 )) was calculated. The results are shown in Table 1 below.
 〈例2〉
 マトリックス樹脂であるPEEK(融点:343℃、MFR:20g/10分)に、短い炭素繊維(直径:約10μm、長さ:約30μm)がランダムに分散した複合体(炭素繊維の含有量:56.5質量%)を射出成形により作製した。なお、例2において使用したマトリックス樹脂の窒素下5%質量減少温度および熱変形温度は以下のとおりである。
 ・マトリックス樹脂の窒素下5%質量減少温度:556℃
 ・マトリックス樹脂の熱変形温度:152℃
 射出成形は、射出成形機(FANUC社製、ROBOSHOT a-S100iA)を用いて、以下の手順で実施した。
 まず、射出成形機において、シリンダー温度を、ホッパー側からノズルに向かって、370℃、380℃、390℃および390℃に設定し、昇温した。
 次に、150℃雰囲気下で2時間乾燥させたPEEKに短い炭素繊維が分散した混合樹脂を準備し、準備した混合樹脂を、射出成形機のホッパーに投入した。
 スクリュー回転数を100rpm、背圧を5MPaとして、混合樹脂を溶融させて、計量した。その後、射出圧100MPa、射出速度60mm/秒、保圧15MPa、冷却時間20秒の条件で、溶融した混合樹脂を金型に射出した。20秒の冷却時間が経過した後、金型から、固化した混合樹脂を取り出し、これを複合体とした。
 作製した複合体の空隙率を、上述した方法により求めたところ、0.5%であった。また、複合体の熱変形温度は290℃であった。
 作製した複合体から、直径20mmおよび高さ30mmの円柱形状の試験体をくり抜いて、例1と同じアーク加熱試験に供した。アーク加熱試験の各種結果を図4のグラフおよび下記表1に示す。
<Example 2>
A composite (carbon fiber content: 56) in which short carbon fibers (diameter: about 10 μm, length: about 30 μm) are randomly dispersed in PEEK (melting point: 343 ° C., MFR: 20 g / 10 minutes) which is a matrix resin. .5% by mass) was produced by injection molding. The 5% mass reduction temperature and thermal deformation temperature of the matrix resin used in Example 2 under nitrogen are as follows.
・ 5% mass reduction temperature of matrix resin under nitrogen: 556 ° C
・ Thermal deformation temperature of matrix resin: 152 ℃
Injection molding was carried out using an injection molding machine (ROBOSHOT a-S100iA manufactured by FANUC) in the following procedure.
First, in the injection molding machine, the cylinder temperature was set to 370 ° C., 380 ° C., 390 ° C. and 390 ° C. from the hopper side toward the nozzle, and the temperature was raised.
Next, a mixed resin in which short carbon fibers were dispersed was prepared in PEEK dried in an atmosphere of 150 ° C. for 2 hours, and the prepared mixed resin was put into a hopper of an injection molding machine.
The mixed resin was melted and weighed at a screw rotation speed of 100 rpm and a back pressure of 5 MPa. Then, the molten mixed resin was injected into the mold under the conditions of an injection pressure of 100 MPa, an injection speed of 60 mm / sec, a holding pressure of 15 MPa, and a cooling time of 20 seconds. After a cooling time of 20 seconds had elapsed, the solidified mixed resin was taken out from the mold and used as a complex.
The porosity of the produced complex was determined by the method described above and found to be 0.5%. The thermal deformation temperature of the complex was 290 ° C.
From the produced complex, a cylindrical test piece having a diameter of 20 mm and a height of 30 mm was hollowed out and subjected to the same arc heating test as in Example 1. The various results of the arc heating test are shown in the graph of FIG. 4 and Table 1 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 〈評価結果まとめ〉
 図4のグラフを見ると、試験体の底面から5mmの距離の内部温度は、例1は、例2よりも約700℃も低かった。
 また、上記表1を見ると、例1は、例2よりも質量減少速度の値が小さかった。
 以上の結果から、例1は、例2よりも耐熱性に優れていた。
 なお、2020年03月31日に出願された日本特許出願2020-063142号の明細書、特許請求の範囲、要約書および図面の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
<Summary of evaluation results>
Looking at the graph of FIG. 4, the internal temperature at a distance of 5 mm from the bottom surface of the test piece was about 700 ° C. lower in Example 1 than in Example 2.
Further, looking at Table 1 above, in Example 1, the value of the mass reduction rate was smaller than that in Example 2.
From the above results, Example 1 was superior in heat resistance to Example 2.
The entire contents of the specification, claims, abstract and drawings of Japanese Patent Application No. 2020-063142 filed on March 31, 2020 are cited here as disclosure of the specification of the present invention. It is something to incorporate.
 1:複合体
 2:層
 3:長繊維
 4:マトリックス樹脂
 5:線状体
1: Complex 2: Layer 3: Long fiber 4: Matrix resin 5: Striatum

Claims (10)

  1.  積層された複数の層と、
     前記層の内部に、前記層の厚さ方向と直交する方向に並列配置された複数本の長繊維と、を備え、
     n層目の前記層に配置された前記長繊維と、n+1層目の前記層に配置された前記長繊維とが交差しており、ただし、nは正の整数であり、
     前記層は、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂を有し、
     空隙率が3~20%である、複合体。
    With multiple stacked layers,
    Inside the layer, a plurality of long fibers arranged in parallel in a direction orthogonal to the thickness direction of the layer are provided.
    The long fibers arranged in the nth layer and the long fibers arranged in the n + 1th layer intersect, where n is a positive integer.
    The layer has a matrix resin containing a thermoplastic resin and has
    A complex having a porosity of 3 to 20%.
  2.  前記長繊維が、炭素繊維である、請求項1に記載の複合体。 The complex according to claim 1, wherein the long fibers are carbon fibers.
  3.  前記マトリックス樹脂の窒素下5%質量減少温度が、150℃以上であり、
     前記マトリックス樹脂の熱変形温度が、100℃以上である、請求項1または2に記載の複合体。
    The 5% mass reduction temperature of the matrix resin under nitrogen is 150 ° C. or higher.
    The complex according to claim 1 or 2, wherein the matrix resin has a thermal deformation temperature of 100 ° C. or higher.
  4.  前記熱変形温度が、150℃以上である、請求項3に記載の複合体。 The complex according to claim 3, wherein the thermal deformation temperature is 150 ° C. or higher.
  5.  前記熱可塑性樹脂が、芳香族ポリエーテルケトンを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の複合体。 The complex according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermoplastic resin contains an aromatic polyetherketone.
  6.  前記芳香族ポリエーテルケトンが、ポリエーテルエーテルケトンである、請求項5に記載の複合体。 The complex according to claim 5, wherein the aromatic polyetherketone is a polyetheretherketone.
  7.  前記長繊維の直径が、1~20μmである、請求項1~6のいずれか1項に記載の複合体。 The complex according to any one of claims 1 to 6, wherein the long fibers have a diameter of 1 to 20 μm.
  8.  前記長繊維の含有量が、20~80質量%である、請求項1~7のいずれか1項に記載の複合体。 The complex according to any one of claims 1 to 7, wherein the content of the long fibers is 20 to 80% by mass.
  9.  請求項1~8のいずれか1項に記載の複合体を製造する方法であって、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂と複数本の長繊維とを有し、前記複数本の長繊維が線状体の長さ方向に配列している線状体を用い、前記線状体を一方向に配置して溶融押圧し、次いで溶融押圧後の線状体に隣接させて別の前記線状体を並列配置して溶融押圧し、これを繰り返すことにより前記複合体中の1つの層を形成し、その後前記線状体の方向を変える以外は同様にして前記層に隣接する第二の層を形成し、さらに任意に前記層形成を繰り返すことを特徴とする複合体の製造方法。 The method for producing a composite according to any one of claims 1 to 8, wherein the composite has a matrix resin containing a thermoplastic resin and a plurality of long fibers, and the plurality of long fibers are linear. Using the linear bodies arranged in the length direction of the body, the linear bodies are arranged in one direction and melt-pressed, and then another linear body is placed adjacent to the linear body after the melt-pressing. A second layer adjacent to the layer is formed in the same manner except that one layer in the composite is formed by arranging them in parallel, melting and pressing, and then changing the direction of the linear body. A method for producing a complex, which comprises repeating the layer formation arbitrarily.
  10.  前記長繊維が連続繊維である、請求項9に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 9, wherein the long fibers are continuous fibers.
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