JP2019094579A - 繊維強化複合材用強化繊維糸 - Google Patents

Abstract

【課題】マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい繊維強化複合材用強化繊維糸の提供。【解決手段】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の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、強化繊維製の非連続繊維１２を撚った撚糸を芯糸１１として備えるとともに、芯糸１１を覆い、強化繊維製の非連続繊維２２からなる無撚の繊維層を被覆層２１として備える繊維強化複合材用強化繊維糸１０。更に被覆層２１に捲回されたカバーリング糸を有する繊維強化複合材用強化繊維糸１０。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材の強化基材となる繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸に関する。

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。繊維強化複合材のうちマトリックスを樹脂とした繊維強化複合材の製造方法には、いくつかの方法が知られている。繊維構造体を強化基材として用いた繊維強化複合材を成形するには、成形サイクルが短く、生産性が高いという等の利点があることからＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が近年用いられている。ＲＴＭ法は、成形型内に形成されるキャビティ内に、予め賦形した繊維構造体を配置し、成形型内を減圧した後、キャビティ内に未硬化のマトリックス樹脂（熱硬化性樹脂）を注入して繊維構造体に含浸させた後、マトリックス樹脂を硬化させ、硬化後に脱型して繊維強化複合材の成形品を得るというものである。

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連続フィラメントを束ねて構成されたもののほか、特許文献１に開示される複合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。

特開平７−１１８９７９号公報

ところで、繊維強化複合材を製造する際、繊維構造体は、所望の形状への賦形や、成形型による成形に伴い押し潰され、これに伴い繊維構造体を形成する強化繊維糸も押し潰される。特許文献１に開示の複合紡績糸が押し潰されると、短繊維束状物を形成する短繊維同士が密着してしまい、成形型内に注入されたマトリックス樹脂が複合紡績糸の軸芯まで浸透しにくいという問題がある。

本発明の目的は、マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい繊維強化複合材用強化繊維糸を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材用強化繊維糸は、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の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを要旨とする。

これによれば、繊維強化複合材は、所望する形状に賦形された繊維構造体を成形型のキャビティに配置し、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸、硬化させて製造される。繊維強化複合材の形状に合わせて繊維構造体が賦形された際や、成形型による成形の際に、繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸が押し潰される。しかし、撚糸である芯糸においては、撚りによって生じた非連続繊維のうねりにより、押し潰されても非連続繊維同士の間に隙間が確保される。よって、キャビティ内の繊維構造体において、繊維強化複合材用強化繊維糸が押し潰されていても、マトリックス樹脂は、被覆層の非連続繊維間から芯糸の隙間に向かって流れ込み、マトリックス樹脂を繊維強化複合材用強化繊維糸の軸芯まで浸透させやすい。

また、繊維強化複合材用強化繊維糸について、前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類であるのが好ましい。
これによれば、繊維強化複合材用強化繊維糸において、芯糸と被覆層との間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂を含浸させたときの芯糸と被覆層の間の接着性が低下しない。

本発明によれば、マトリックス樹脂を軸芯まで浸透させやすい。

実施形態の繊維強化複合材用強化繊維糸を模式的に示す斜視図。 実施形態の繊維強化複合材用強化繊維糸を模式的に示す断面図。 実施形態の繊維強化複合材用強化繊維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。 圧縮された強化繊維糸を模式的に示す図。 カバーリング糸を備えない繊維強化複合材用強化繊維糸を示す斜視図。

以下、繊維強化複合材用強化繊維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又は図２に示すように、繊維強化複合材用強化繊維糸１０は、芯糸１１と、芯糸１１を覆う被覆層２１と、被覆層２１に捲回されたカバーリング糸３１と、を有する。芯糸１１は、非連続繊維１２から形成されている。非連続繊維１２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。

図３に示すように、芯糸１１は、複数本の非連続繊維１２を撚って形成された撚糸である。芯糸１１では、非連続繊維１２の撚りに伴い各非連続繊維１２にうねりが生じており、うねりを原因として、芯糸１１の糸主軸の延びる方向、及び太さ方向に多数の隙間Ｓがある状態である。また、芯糸１１を撚糸とすることで、芯糸１１が無撚糸である場合と比べて、繊維強化複合材用強化繊維糸１０の糸主軸方向への引っ張り強度である糸強力が高められている。繊維強化複合材用強化繊維糸１０の軸芯Ｌは、芯糸１１に存在する。芯糸１１が隙間Ｓを有することで、軸芯Ｌ回りにも隙間Ｓが多数存在する。

図１又は図２に示すように、被覆層２１は、強化繊維製の非連続繊維２２からなる無撚の繊維層である。非連続繊維２２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。

被覆層２１は、芯糸１１を全周に亘って覆う。被覆層２１は、実質無撚である。なお、実質無撚とは、非連続繊維２２の撚りが全くない場合の他、実質的に非連続繊維２２が撚りによる拘束を受けていない場合も含む。被覆層２１が実質無撚であることから、各非連続繊維２２は、繊維強化複合材用強化繊維糸１０の糸主軸方向へ直線状に延びている。また、芯糸１１を被覆層２１で覆うことにより、繊維強化複合材用強化繊維糸１０が芯糸１１だけの場合と比べて糸強力が高められている。また、被覆層２１においては、各非連続繊維２２が直線状であるため、隣り合う非連続繊維２２同士の間には隙間Ｓが存在している。

カバーリング糸３１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、カバーリング糸３１は、非連続繊維を束ねて形成されたものでもよい。カバーリング糸３１は、被覆層２１に対し螺旋状に巻き付けられ、芯糸１１が被覆層２１で覆われた形状を保持する。

本実施形態の繊維強化複合材用強化繊維糸１０において、芯糸１１を形成する非連続繊維１２と、被覆層２１を形成する非連続繊維２２と、カバーリング糸３１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。図２又は図３に示すように、芯糸１１を形成する非連続繊維１２の太さは、被覆層２１を形成する非連続繊維２２の太さより太い。芯糸１１を形成する非連続繊維１２の太さが太くなるほど、非連続繊維１２のうねりに伴って生じる隙間Ｓも大きくなりやすい。

図４に示すように、繊維強化複合材４０は、強化基材である繊維構造体４１にマトリックス樹脂５１を含浸させて構成されている。マトリックス樹脂５１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４１は、繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層４２ａと、繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成された複数本の経糸からなる経糸層４２ｂとを複数積層し、複数の緯糸層４２ａと複数の経糸層４２ｂとを拘束糸４３で積層方向に拘束して構成されている。

繊維構造体４１へのマトリックス樹脂５１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４１にマトリックス樹脂５１が含浸し、マトリックス樹脂５１が硬化することにより、繊維構造体４１の各繊維強化複合材用強化繊維糸１０は、マトリックス樹脂５１と複合化して繊維強化複合材４０となる。そして、繊維強化複合材４０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４０の製造方法を作用とともに記載する。
図５（ａ）に示すように、成形型６１は下型６２及び上型６３で構成されており、下型６２は形成すべき繊維強化複合材４０の形状に対応したキャビティ６４を備え、上型６３には、型閉め状態でキャビティ６４に連通する注入孔６５及び排出孔６６が形成されている。注入孔６５は一端がキャビティ６４と対応する位置に形成され、他端が図示しない樹脂注入装置に接続されている。樹脂注入装置は、公知の装置が使用され、タンク内に貯蔵された未硬化のマトリックス樹脂５１をポンプで送り出すように構成されている。排出孔６６は一端がキャビティ６４と対応する位置に形成され、他端が図示しない減圧ポンプに接続されている。

まず、繊維構造体４１を所望する形状に賦形する。次に、成形型６１が開放された状態で、キャビティ６４内（成形型６１内）に賦形した繊維構造体４１を配置する。この場合、繊維構造体４１の上端面４１ａがキャビティ６４内から外部に露出する。

次に、図５（ｂ）に示すように、キャビティ６４の密閉性が確保されるまで型閉めを行う。このとき、上型６３の下面は、繊維構造体４１の上端面４１ａを押圧し、繊維構造体４１が積層方向に圧縮される。

すると、図６に示すように、繊維構造体４１の各繊維強化複合材用強化繊維糸１０も圧縮され、押し潰される。繊維強化複合材用強化繊維糸１０が押し潰されても、撚糸である芯糸１１においては、うねりを伴う非連続繊維１２同士の間に隙間Ｓが形成され、被覆層２１においても、非連続繊維２２同士の間に隙間Ｓが形成されている。次に、成形型６１を加熱する。そして、減圧ポンプを駆動して、キャビティ６４内を真空に近い状態まで減圧する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、キャビティ６４内が減圧された状態で、樹脂注入装置から未硬化のマトリックス樹脂５１を注入孔６５からキャビティ６４内に注入する。キャビティ６４内に注入されたマトリックス樹脂５１は、繊維構造体４１の各繊維強化複合材用強化繊維糸１０に浸透する。具体的には、未硬化のマトリックス樹脂５１は、芯糸１１の隙間Ｓに向かって被覆層２１の隙間Ｓに流れ込み、芯糸１１の軸芯Ｌに浸透していく。

その後、マトリックス樹脂５１及び繊維構造体４１が圧縮された状態でマトリックス樹脂５１の硬化が完了するまで成形型６１の加熱が継続される。マトリックス樹脂５１の硬化が完了した後、成形型６１を開き、成形型６１内から繊維強化複合材４０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）繊維強化複合材用強化繊維糸１０を、芯糸１１と、芯糸１１を覆う被覆層２１と、被覆層２１に捲回されたカバーリング糸３１とで構成した。芯糸１１を撚糸とし、被覆層２１を非連続繊維２２を撚らずに形成した繊維層とした。よって、繊維構造体４１が賦形されたり、成形型６１の型閉めによって圧縮されたりしたときであっても、芯糸１１には、非連続繊維１２同士の間に隙間Ｓが確保される。このため、繊維強化複合材４０の製造時、芯糸１１の隙間Ｓに向かってマトリックス樹脂５１が流れることとなり、マトリックス樹脂５１を繊維強化複合材用強化繊維糸１０の軸芯Ｌまで浸透させやすい。

（２）繊維強化複合材用強化繊維糸１０において、被覆層２１にはカバーリング糸３１が捲回されている。カバーリング糸３１により、被覆層２１が芯糸１１から剥がれ落ちることが抑制される。また、カバーリング糸３１により、被覆層２１が芯糸１１を覆う状態を維持でき、繊維強化複合材用強化繊維糸１０を織ったりする際にも被覆層２１が剥がれることを抑制できる。

（３）芯糸１１を形成する非連続繊維１２の太さを、被覆層２１を形成する非連続繊維２２の太さより太くした。このため、芯糸１１の非連続繊維１２同士の間に形成される隙間Ｓをより大きくしやすい。

（４）繊維強化複合材用強化繊維糸１０は、繊維強化複合材４０の強化基材である繊維構造体４１を形成するための糸である。繊維強化複合材４０は、繊維構造体４１にマトリックス樹脂５１を含浸させて形成されるため、繊維強化複合材用強化繊維糸１０に嵩高性は必要がない一方で、糸強力を必要とする。繊維強化複合材用強化繊維糸１０の糸強力を出すため、芯糸１１を撚糸としている。また、被覆層２１を無撚の繊維層としたため、非連続繊維２２の直進性を維持し、繊維強化複合材４０の強度低下を抑制できる。

（５）芯糸１１の非連続繊維１２と、被覆層２１の非連続繊維２２と、カバーリング糸３１とを同じ材質とした。このため、繊維強化複合材用強化繊維糸１０において、芯糸１１と被覆層２１の間、さらに、被覆層２１とカバーリング糸３１の間に異材界面が生じず、マトリックス樹脂５１を含浸させたときの芯糸１１と被覆層２１との接着性、及び被覆層２１とカバーリング糸３１の接着性が低下しない。

（６）芯糸１１の非連続繊維１２と、被覆層２１の非連続繊維２２と、カバーリング糸３１とを同じ材質とした。よって、例えば、芯糸１１の非連続繊維１２と、被覆層２１の非連続繊維２２とを別々の材質とする場合と比べて繊維強化複合材用強化繊維糸１０の製造コストを抑えることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 繊維構造体４１は、繊維強化複合材用強化繊維糸１０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４３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。

○ 繊維構造体４１は、複数の緯糸層４２ａと複数の経糸層４２ｂとを拘束糸４３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４１は、繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成された複数本の緯糸からなる緯糸層４２ａを、繊維強化複合材用強化繊維糸１０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４１は、繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成された複数本の経糸からなる経糸層４２ｂを、繊維強化複合材用強化繊維糸１０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。

○ 繊維構造体４１を形成する緯糸及び経糸は、緯糸のみ繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成されていてもよいし、経糸のみ繊維強化複合材用強化繊維糸１０で形成されていてもよい。

○ 図７に示すように、繊維強化複合材用強化繊維糸１０は、カバーリング糸３１を備えず、芯糸１１と被覆層２１のみで構成されていてもよい。
○ 繊維強化複合材用強化繊維糸１０において、芯糸１１の非連続繊維１２と、被覆層２１の非連続繊維２２とを同じ太さにしてもよい。

○ 繊維強化複合材用強化繊維糸１０において、芯糸１１の非連続繊維１２と、被覆層２１の非連続繊維２２とを異なる種類の強化繊維製としてもよい。
○ マトリックス樹脂５１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。

○ 繊維強化複合材４０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）前記芯糸の非連続繊維の太さは、前記被覆層の非連続繊維の太さより太い繊維強化複合材用強化繊維糸。
（２）前記被覆層の外周に捲回されたカバーリング糸を備える繊維強化複合材用強化繊維糸。

（３）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繊維強化複合材用強化繊維糸が、強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを特徴とする繊維強化複合材。

（４）前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類である繊維強化複合材。

１０…繊維強化複合材用強化繊維糸、１１…芯糸、１２，２２…非連続繊維、２１…被覆層、４０…繊維強化複合材、４１…繊維構造体、５１…マトリックス樹脂。

Claims (2)

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の前記繊維構造体を形成する繊維強化複合材用強化繊維糸であって、
   強化繊維製の非連続繊維を撚った撚糸を芯糸として備えるとともに、
   前記芯糸を覆い、強化繊維製の非連続繊維からなる無撚の繊維層を被覆層として備えることを特徴とする繊維強化複合材用強化繊維糸。
2. 前記芯糸を形成する前記強化繊維と、前記被覆層を形成する前記強化繊維は同じ種類である請求項１に記載の繊維強化複合材用強化繊維糸。