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JP2016078360A - 繊維強化樹脂中間体及びその製造方法 - Google Patents

繊維強化樹脂中間体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱可塑性樹脂のみならず熱硬化性樹脂を含め、ボイドなどの欠陥が生じ難く賦形性に富んだ繊維強化樹脂中間材及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る繊維強化樹脂中間材は、開繊された強化繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させ、その樹脂の融点以上に加熱して前記樹脂を前記強化繊維基材に含浸させた繊維強化樹脂中間材であって、前記強化繊維基材は、外面に開口した空隙を有し、前記樹脂が半含浸状態にあるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、積層状態で加熱及び加圧されて使用される繊維強化樹脂中間体及びその製造方法に関する。
近年、軽量化や機械強度の向上を目的として、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維基材に樹脂を含浸させて複合化した繊維強化樹脂が種々の分野・用途に広く利用されており、航空機部品や自動車部品への適用が進められている。このような繊維強化樹脂成形品は、機械的強度など所定の特性が発揮されるように、強化繊維基材への樹脂の含浸が所定の繊維体積含有率で行われたボイドなどの欠陥の少ないものが求められる。そして、複雑な形状であっても成形できるような賦形性が求められる。このような要求に対し、強化繊維基材に樹脂が含浸されてなり、積層状態で加熱及び加圧されて使用される繊維強化樹脂中間体が種々提案されている。
特許文献１に、熱可塑性樹脂は溶融粘度が高く強化繊維束中に均一に含浸させ難いところ、複数本の強化繊維束を一方向に引き揃えた強化繊維シートに熱可塑性樹脂不織布を重ね合わせて加熱しつつ加圧することにより、熱可塑性樹脂不織布を溶融させ強化繊維束中に熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化熱可塑性樹脂シートが提案されている。この繊維強化熱可塑性樹脂シートは、強化繊維束中に熱可塑性樹脂が含浸しない空隙部が存在する半含浸の状態とすることができるとされる。このため、繊維強化熱可塑性樹脂シートの製造にかかる時間を短縮でき、柔軟性を有する繊維強化熱可塑性樹脂シートが得られ、強化繊維シートを薄くできることから、未含浸部分を少なくすることができ、最終成形品に加工する際の加熱しつつ加圧するときに十分な含浸ができるとされる。
特許文献２に、層状に形成された繊維基材と、前記繊維基材の少なくとも一方の面側に設けられており、樹脂組成物で構成された樹脂層と、を備え、前記繊維基材中の少なくとも一部に、前記樹脂組成物の含浸されていない空隙層が形成されたプリプレグが提案されている。このプリプレグの空隙層は、繊維基材の一部が露出した形状であってもよく、プリプレグの一端から他端まで連通するように形成されていることが好ましいとされる。また、繊維基材の両面に樹脂層を有するものであっても、その中間部に一端から他端まで連通するような空隙層が存在すればよいとされる。このようなプリプレグを積層する場合は、樹脂が繊維基材によって支持されているため繊維基材が波打つことを防ぐことができ、プリプレグの積層時に空気が抜けやすく気泡が発生しにくいとされる。そして、上記樹脂組成物として、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂等の熱硬化性樹脂が列挙され、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱可塑性樹脂を併用してもよいとされる。
特許文献３に、強化繊維が一方向に引き揃えられたプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に強化繊維を横切る方向へ断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、前記Wsが30μm〜10mmであり、実質的に強化繊維のすべてが前記切り込みにより分断され、前記切り込みにより分断された強化繊維の繊維長さLが10〜100mmであり、繊維体積含有率Vfが45〜65%の範囲内である切込プリプレグ基材が提案されている。この切込プリプレグ基材は、良好な流動性を有し成形追従性を有して賦形性に優れ、自動車部品やスポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材であるプリプレグ基材を提供することができるとされる。
特開2003-165851号公報 特開2013-180406号公報 特開2008-207544号公報
上記のように、繊維強化熱可塑性樹脂中間材には賦形性が要求されるが、特許文献１〜３においては、繊維強化熱可塑性樹脂シートを半含浸の状態にする、プリプレグに含浸されていない空隙層を設ける、あるいは切込プリプレグ基材に切り込みを設けることにより、それらの繊維強化樹脂中間材の賦形性の向上を図っている。追加工を要しないという点で、特許文献１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂シート又は特許文献２に記載のプリプレグは、特許文献３に記載の切込プリプレグ基材より好ましい。
一方、ボイド等の欠陥を生じ難いか否かという点において、特許文献１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂シートは、ボイドを形成しやすいという問題がある。すなわち、繊維強化熱可塑性樹脂シートは、繊維強化シートに重ねた熱可塑性樹脂繊維からなる布帛を加熱しつつ加圧して成形される。このため、この繊維強化熱可塑性樹脂シートにおいては、溶融した熱可塑性樹脂層が加圧されて圧密化した強化繊維シートの表面をフィルム状に被った状態になるので、熱可塑性樹脂が含浸され難く強化繊維シート内の空気が抜け難くなり、ボイドを形成しやすいという問題がある。
特許文献２に記載のプリプレグは、繊維基材に熱硬化性樹脂を基本とする樹脂組成物を含浸させたプリプレグであり、熱硬化性樹脂と比べて粘度の高い熱可塑性樹脂のみからなる樹脂組成物であっても同様に適用できるか不明である。また、このプリプレグは、繊維基材の上面全体に樹脂層が形成され、その樹脂層の下部に、一端から他端に連通するように形成された空隙層を有している。そして、この樹脂層は、ロール・ツゥ・ロール方式により形成した樹脂層、あるいは樹脂組成物のワニスなど液状の樹脂組成物を供給し繊維基材上で硬化させて形成した樹脂層である。このため、特許文献２に記載のプリプレグは、空気の移動距離が長くなって空気が抜け難くなるため、プリプレグ内の空気が必ずしも充分に排出できないという問題がある。
特許文献３に記載の切込プリプレグ基材は、実施例によると以下のように作製される。すなわち、エポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いてシリコーンコーティング処理された厚さ100μmの離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、一方向に配列させた炭素繊維の両面に樹脂フィルムをそれぞれ重ね、加熱及び加圧することによって樹脂を含浸させてプリプレグ基材を作製したとあり、特許文献１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂シートと同様にボイドを形成しやすいという問題がある。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、熱可塑性樹脂のみならず熱硬化性樹脂を含め、ボイドなどの欠陥が生じ難く賦形性に富んだ繊維強化樹脂中間材及びその製造方法を
提供することを目的とする。
本発明に係る繊維強化樹脂中間材は、開繊された強化繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させ、その樹脂の融点以上に加熱して前記樹脂を前記強化繊維基材に含浸させた繊維強化樹脂中間材であって、前記強化繊維基材は、外面に開口した空隙を有し、前記樹脂が半含浸状態にあるものである。
上記発明において、強化繊維基材に付着させる樹脂は粉体であるのがよい。また強化繊維基材は、目付が40〜250g/m2であるのがよい。
また、本発明に係る繊維強化樹脂中間材は、開繊された炭素繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させてその樹脂の融点以上に加熱し、前記強化繊維基材が外面に開口した空隙を有する程度に前記樹脂を前記強化繊維基材に半含浸状態に含浸させてなる繊維強化樹脂中間材であって、見かけ密度ρが以下の目標見かけ密度ρcの1/2〜1/50である繊維強化樹脂中間材とすることができる。ここで、目標見かけ密度ρcは、炭素繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとするとき、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。
上記の繊維強化樹脂中間材を積層し、加熱及び加圧して成形することにより、複雑な形状で欠陥の少ない繊維強化樹脂成形品を成形することができる。
また、上記のような強化繊維基材が、樹脂を半含浸状態で含浸し外面に開口した空隙を有している繊維強化樹脂中間材は、以下の方法により成形することができる。すなわち、繊維強化樹脂中間材において、強化繊維基材を形成する強化繊維の外径とその強化繊維基材の嵩密度に基づいて、前記強化繊維基材の繊維体積含有率が所定の値になるように、所定の平均粒径の樹脂粉体を前記強化繊維基材に静電付着させることにより好適に成形することができる。
本発明に係る繊維強化樹脂中間体は、賦形性と同時に含浸性に富む。このため、本繊維強化樹脂中間体を積層し、加熱及び加圧することにより、複雑な形状であっても所望の繊維体積含有率を有し、含浸が充分に行われボイドなどの欠陥の少ない繊維強化樹脂成形品を成形することができる。
樹脂粉体を強化繊維基材に付着させた強化繊維基材（ａ）、樹脂粉体を含浸させた強化繊維基材（ｂ）の一部分のミクロ組織を模式的に示す図面である。 実施例の繊維強化樹脂成形品の成形形状を示す図面である。 実施例の樹脂粉体を静電付着させた強化繊維基材表面の光学顕微鏡写真である。 実施例の繊維強化樹脂中間体表面のSEM写真である。 実施例の繊維強化樹脂成形品断面の光学顕微鏡写真である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。本発明に係る繊維強化樹脂中間材は、開繊された強化繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させ、その樹脂の融点以上に加熱して前記樹脂を前記強化繊維基材に含浸させた繊維強化樹脂中間材であって、前記強化繊維基材は、外面に開口した空隙を有し、前記樹脂が半含浸状態にあるものである。このように樹脂が半含浸状態の強化繊維基材からなる繊維強化樹脂中間材の作製は、強化繊維基材に樹脂粉体を静電付着させ、これを加熱し含浸させて作製するのがよい。すなわち、先ず、樹脂粉体20を強化繊維基材10に静電付着させる。この樹脂粉体20は、マクロ的に観察すれば強化繊維基材10の表面に均一の厚さ、均一の分布で付着している。しかしながら、ミクロ的に観察すれば、図１（ａ）に示すように、束になった多数の強化繊維11から形成される強化繊維基材10の表面は、樹脂粉体20が一層又は複層に付着した部分があり、あるいは樹脂粉体20が付着していない部分がある。このような状態は、強化繊維基材10を形成する強化繊維11の外径とその強化繊維基材10の嵩密度に基づいて、強化繊維基材10の繊維体積含有率が所定の値になるように、所定の平均粒径の樹脂粉体20を、強化繊維基材10に静電付着させることによって生じさせることができる。
次に、樹脂粉体20が付着した強化繊維基材10を樹脂粉体20の融点以上に加熱する。本発明においては、この樹脂粉体20が付着した強化繊維基材10の加圧は行わない。このため、
図１（ｂ）に示すように強化繊維基材10に付着している樹脂粉体20は、加熱操作において、強化繊維基材10の表面で溶融するが、前述のミクロ的な付着状況に応じた分布を保ち、強化繊維基材10の表面全体を被うようなフィルム状の溶融層は形成されない。そして、溶融した樹脂は、その表面張力によりその表面積を縮小し、強化繊維基材10の表面に溶融樹脂の存在しない未含浸部を形成する。また、溶融した樹脂は、強化繊維11の間をぬって強化繊維基材10中の空隙部に含浸されていく。この樹脂の溶融・含浸のための温度と時間は、強化繊維基材10及び樹脂粉体20に合わせて適宜最適な条件が選ばれる。
本発明において、開繊とは、強化繊維が繊維の束からなるときは、これが扁平になるようにすることを意味する。この開繊により、本繊維強化樹脂中間材は、強化繊維基材に樹脂が半含浸状態で含浸され、その強化繊維基材の外面に開口した空隙を有する半含浸状態を形成し易くなる。強化繊維基材の外面とは、強化繊維基材10の表面を形成する強化繊維11の外方の意である。強化繊維基材の外面部とは、強化繊維基材10の表面及びその表面下の部分を含む意である。なお、本発明において開繊とは、含浸すべき密集してなる繊維の束を扁平にして一定の厚み（例えば、100μm）以下になるようにすることであり、チョップドのような短繊維からなるものであっても適用される。
本発明において、強化繊維11は、炭素繊維が好ましく、炭素繊維からなる強化繊維基材10の目付は、40〜250g/m2であるのがよい。40g/m2より小さい目付では、得られる繊維強化樹脂中間材一枚当たりの強化繊維の総量が少なく、繊維強化樹脂成形品を成形するさいに必要な繊維強化樹脂中間材の枚数が無用に多くなり実用的ではない。250g/m2より大きい目付では、加熱時に、溶融した樹脂が、強化繊維11の間をぬって強化繊維基材10中の空隙部に含浸される工程に長時間を要すため実用的ではない。なお、強化繊維11は、ガラス繊維、天然繊維であってもよく、これらの繊維からなる強化繊維基材10においても、それぞれに適切な目付範囲が決められる。
樹脂粉体20は、ポリカーボネート（PC）、ポリスルホン（PSU）、ポリエーテルスルホン（PES）、ポリアミドイミド（PAI）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリアミド系樹脂（PA６，PA11,PA66）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、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）等を使用することができる。また、上記のような熱可塑性樹脂の粉体に限らずフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の粉体であってもよい。
本発明において樹脂粉体20は、強化繊維11の外径の1/2〜30倍の平均粒径を有する粉体を使用することができる。この平均粒径は、使用する樹脂の密度、粘度、繊維の外形、および最終の繊維体積含有率に合せて適宜選定される。このような、平均粒径の樹脂粉体20は、強化繊維基材10に静電付着させ易いという利点がある。上述のように、本発明においては、樹脂を強化繊維基材に付着させるのに樹脂粉体20を用いており、樹脂粉体20を静電付着により強化繊維基材10に付着させている。このため、本発明においては、樹脂粉体20の強化繊維基材10への付着をミクロ的に調製することができる。樹脂粉体20の静電付着は、樹脂粉体20を空気に混合した状態で帯電させ、樹脂粉体20の強化繊維基材10への付着直前にさらに高電圧をかけることにより行うことができる。なお、樹脂粉体20は、含浸という観点からは平均粒径が小さいものが好ましいが、単価が高くなるという点では不利になる。一方、樹脂粉体20の静電付着状態を制御し外面に開口した空隙を有する強化繊維基材を成形するには、樹脂粉体20の平均粒径が大きい方が好ましい。
上述のように、強化繊維基材が外面に開口した空隙を有する程度に樹脂を強化繊維基材に半含浸状態に含浸させてなる繊維強化樹脂中間材を作製するには、強化繊維基材の見かけ密度ρを所定の範囲にするのがよい。すなわち、その強化繊維基材からなる繊維強化樹脂中間材が強化繊維と樹脂からなり、まったく空隙がないとしたときの密度（目標見かけ密度ρc）に対して、強化繊維基材の見かけ密度ρを1/2〜1/50にするのがよい。ここで、
炭素繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrであり、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの約1/2の場合は、開繊された経糸と緯糸を折り込んだ織物からなる強化繊維基材において好ましく、見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの約1/50の場合は、開繊したチョップドからなるマット状の強化繊維基材において好ましい。
以上、本発明に係る繊維強化樹脂中間材について説明した。本繊維強化樹脂中間材は、所定の型内に積層して、加熱及び加圧されて所定の形状の繊維強化樹脂成形品に形成される。本繊維強化樹脂中間材を使用することにより、繊維体積含有率が15〜70%、ボイド率が1.5%以下、さらにはボイド率が0.5%以下の繊維強化樹脂成形品を成形することができる。
炭素繊維からなる強化繊維基材にポリアミド（PA6）樹脂を含浸させた繊維強化樹脂中間材を作製し、これを積層し、加熱及び加圧することにより、図２に示す皿形状の繊維強化樹脂成形品を作製する試験を行った。強化繊維基材は、直径7μmの炭素繊維束（１千本）を幅2mmとなる様に開繊して目付が63g/m2の平織の炭素繊維織物を作製し、これから切り出したものを用いた。含浸樹脂は、平均粒径20μmのPA6樹脂粉体を用いた。
上記炭素繊維基材に、PA6樹脂粉体を繊維体積含有率が60%となるように静電付着させ、付着後速やかにIRヒータを用いてPA6樹脂粉体を溶融させた。作製された繊維強化樹脂中間材の厚みは180μmであった。図３に、強化繊維基材にPA6樹脂粉体を静電付着させた表面状態の光学顕微鏡写真を示す。強化繊維基材の表面は、いまなおまだらであるが、薄く粉雪に敷き詰められた様に観察される。
図４は、作製した繊維強化樹脂中間材の表面の走査電子顕微鏡（SEM）写真を示す。繊維強化樹脂中間材の表面は、炭素繊維束が水あめ様の厚目の被膜に被われた部分があり、薄い皮膜に被われた部分があり、また、ほとんど炭素繊維束そのままむき出しの部分があるように観察される。厚目の被膜部分には、あたかも埋めきれなかったような炭素繊維の方向に沿った細長く、様々の長さの溝様の部分が点在する。すなわち、強化繊維基材は、PA6樹脂による半含浸状態で外面に開口した空隙を有していることが観察される。
上記繊維強化樹脂中間材を金型内に16枚積層し、260℃まで昇温した後にその温度を維持し、5MPaで加圧した。加圧時間は70秒であった。図５に、成形された繊維強化樹脂成形品断面の倍率400倍の光学顕微鏡写真を示す。この繊維強化樹脂成形品は、ボイド率が0.5%以下であった。また、賦形性は良好で、図２に示す溝部分の精度は良好であった。
10 強化繊維基材
11 強化繊維
20 樹脂粉体

Claims (6)

  1. 開繊された強化繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させ、その樹脂の融点以上に加熱して前記樹脂を前記強化繊維基材に含浸させた繊維強化樹脂中間材であって、
    前記強化繊維基材は、外面に開口した空隙を有し、前記樹脂が半含浸状態にある繊維強化樹脂中間材。
  2. 強化繊維基材に付着させる樹脂が粉体である請求項１に記載の繊維強化樹脂中間材。
  3. 強化繊維基材は、強化繊維を炭素繊維とする目付が40〜250g/m2である請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂中間材。
  4. 開繊された炭素繊維で形成される強化繊維基材の外面部に樹脂を付着させてその樹脂の融点以上に加熱し、前記強化繊維基材が外面に開口した空隙を有する程度に前記樹脂を前記強化繊維基材に半含浸状態に含浸させてなる繊維強化樹脂中間材であって、見かけ密度ρが以下の目標見かけ密度ρcの1/2〜1/50である繊維強化樹脂中間材。
    目標見かけ密度ρcは、炭素繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとするとき、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。
  5. 請求項１〜４に記載の繊維強化樹脂中間材を積層し、加熱及び加圧して成形される繊維強化樹脂成形体。
  6. 強化繊維基材が、樹脂を半含浸状態で含浸し外面に開口した空隙を有している繊維強化樹脂中間材の成形方法であって、
    前記強化繊維基材を形成する強化繊維の外径とその強化繊維基材の嵩密度に基づいて、前記強化繊維基材の繊維体積含有率が所定の値になるように、所定の平均粒径の樹脂粉体を前記強化繊維基材に静電付着させて成形する繊維強化樹脂中間材の成形方法。
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