(57)【要約】【課題】樹脂強化用の繊維構造体及び繊維強化複合材の生産性を高める。【解決手段】繊維構造体１１は、樹脂強化用の繊維束１２１，１３１，１４１，１５１からなる複数の強化繊維層１２，１３，１４，１５と、熱可塑性樹脂製の繊維束１６１，１７１，１８１，１９１，２０１からなる複数の樹脂繊維層１６，１７，１８，１９，２０と、熱可塑性樹脂製の抜け止め糸２１と、熱可塑性樹脂製の拘束糸２２とから構成されている。繊維構造体１１を加熱・加圧すると、樹脂繊維層１６〜２０、抜け止め糸２１及び拘束糸２２が溶融し、溶融した熱可塑性樹脂が固化すると、繊維強化複合材１１Ａが形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維で樹脂を強化した繊維強化複合材を製造するために用いられる樹脂強化用の繊維構造体において、
連続繊維からなる強化繊維層と、
熱可塑性樹脂製の連続繊維からなる樹脂繊維層と、
積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するための拘束糸とを備えた繊維構造体。
【請求項２】
前記繊維構造体の最外層は、前記樹脂繊維層である請求項１に記載の繊維構造体。
【請求項３】
前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製である請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の繊維構造体。
【請求項４】
前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高い請求項３に記載の繊維構造体。
【請求項５】
前記拘束糸に係合する抜け止め糸を備えている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の繊維構造体。
【請求項６】
繊維で樹脂を強化した繊維強化複合材を製造するために用いられる樹脂強化用の繊維構造体の製造方法において、
強化繊維層と樹脂繊維層とを積層する積層工程と、
積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するように拘束糸を挿入する挿入工程とを備え、
前記強化繊維層は、連続繊維を配列して形成され、前記樹脂繊維層は、熱可塑性樹脂製の連続繊維を配列して形成される繊維構造体の製造方法。
【請求項７】
前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製である請求項６に記載の繊維構造体の製造方法。
【請求項８】
前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高い請求項７に記載の繊維構造体の製造方法。
【請求項９】
繊維構造体によって樹脂を強化した繊維強化複合材の製造方法において、
強化繊維層と樹脂繊維層とを積層する積層工程と、
積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するように拘束糸を挿入する挿入工程と、
前記挿入工程を経て製造された繊維構造体を型内に配置する配置工程と、
前記型内で加圧と加熱とを行なう加熱・加圧工程と、
加熱・加圧された前記繊維構造体を冷却する冷却工程とを備える繊維強化複合材の製造方法。
【請求項１０】
前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製であり、前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高く、前記加熱・加圧工程は、少なくとも前記拘束糸の樹脂の融点以上に加熱する工程である請求項９に記載の繊維強化複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂強化用の繊維構造体、繊維構造体の製造方法、及び繊維構造体によって樹脂を強化した繊維強化複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等からなる繊維構造体を強化材として樹脂を強化した繊維強化複合材では、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として採用するのが一般的であるが、成形に時間が掛かるために生産性が低いという問題がある。
【０００３】
特許文献１では、多軸織物基材と熱可塑性樹脂フィルムとをステッチ糸（拘束糸）によって縫合して一体化した多軸織物が開示されている。この多軸織物を加熱することによって熱可塑性樹脂フィルムが溶融し、溶融した熱可塑性樹脂が多軸織物基材中に浸透して複合シートが形成される。この複合シートを複数枚積層した物、あるいは１枚を金型内で加熱・プレスすることによって繊維強化複合材が得られる。
【特許文献１】特開２００６−２９１３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、多軸織物基材と熱可塑性樹脂フィルムとをステッチ糸によって縫合する場合、熱可塑性樹脂フィルムの厚みが大きいと、多軸織物基材と熱可塑性樹脂フィルムとにステッチ糸を通すための挿入針を熱可塑性樹脂フィルムに通すことが困難になる。熱可塑性樹脂フィルムの厚みを小さくすれば、熱可塑性樹脂フィルムに挿入針を通しやすくなるが、その場合には熱可塑性樹脂フィルムの枚数が多くなる。この枚数増は、多軸織物基材と熱可塑性樹脂フィルムとを積層する工程の時間を増やし、生産性が悪くなる。
【０００５】
本発明は、樹脂強化用の繊維構造体及び繊維強化複合材の生産性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１乃至請求項５の本発明は、繊維で樹脂を強化した繊維強化複合材を製造するために用いられる樹脂強化用の繊維構造体を対象とし、請求項１の発明では、連続繊維からなる強化繊維層と、熱可塑性樹脂製の連続繊維からなる樹脂繊維層と、積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するための拘束糸とを備えている。
【０００７】
樹脂強化とは、溶融した樹脂を強化繊維間に含浸させて、樹脂と繊維とを繊維強化複合材として一体化することである。拘束糸の挿入針は、樹脂繊維層を通り易く、熱可塑性樹脂製の連続繊維を配列して樹脂繊維層を形成するのは容易である。従って、繊維構造体の生産性が向上する。
【０００８】
好適な例では、前記繊維構造体の最外層は、前記樹脂繊維層である。
樹脂繊維層を溶融して繊維強化複合材を形成したときの樹脂繊維層の表面の平滑が可能である。
【０００９】
好適な例では、前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製である。
樹脂繊維層を溶融して繊維強化複合材を形成したときに拘束糸も溶融するため、樹脂繊維層の表面の平滑性が高まる。
【００１０】
好適な例では、前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高い。
樹脂繊維層を溶融した後でも暫くの間は拘束糸の溶融がない。これは、樹脂強化用の連続繊維の配列のずれの抑制に寄与する。
【００１１】
好適な例では、前記拘束糸に係合する抜け止め糸を備えている。
繊維構造体の最外側の繊維層の繊維配列方向と結合糸の縫合方向とが同じである場合には、この繊維層の外側で抜け止め糸を用いれば、拘束糸の抜けが防止される。
【００１２】
請求項６乃至請求項８の発明は、繊維で樹脂を強化した繊維強化複合材を製造するために用いられる樹脂強化用の繊維構造体の製造方法を対象とし、請求項６の発明では、強化繊維層と樹脂繊維層とを積層する積層工程と、積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するように拘束糸を挿入する挿入工程とを備え、前記強化繊維層は、連続繊維を配列して形成され、前記樹脂繊維層は、熱可塑性樹脂製の連続繊維を配列して形成される。
【００１３】
連続繊維を配列して強化繊維層及び樹脂繊維層を形成する方法は、繊維構造体の生産性の向上に有利である。
好適な例では、前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製である。
【００１４】
樹脂繊維層の表面の平滑性が高まる。
好適な例では、前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高い。
拘束糸の樹脂の融点を樹脂繊維層の融点よりも高くすると、樹脂強化用の連続繊維の配列のずれが抑制される。
【００１５】
請求項９及び請求項１０の発明は、繊維構造体によって樹脂を強化した繊維強化複合材の製造方法を対象とし、請求項９の発明では、強化繊維層と樹脂繊維層とを積層する積層工程と、積層された前記強化繊維層と前記樹脂繊維層とを結合するように拘束糸を挿入する挿入工程と、前記挿入工程を経て製造された繊維構造体を型内に配置する配置工程と、前記型内で加圧と加熱とを行なう加熱・加圧工程と、加熱・加圧された前記繊維構造体を冷却する冷却工程とを備える。
【００１６】
このような製造方法は、繊維強化複合材の生産性を高める。
好適な例では、前記拘束糸は、熱可塑性樹脂製であり、前記拘束糸の樹脂の融点は、前記樹脂繊維層の融点よりも高く、前記加熱・加圧工程は、少なくとも前記拘束糸の樹脂の融点以上に加熱する工程である。
【００１７】
このような加熱・加圧工程は、樹脂強化用の連続繊維の配列のずれの抑制に寄与する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、樹脂強化用の繊維構造体及び繊維強化複合材の生産性を高めることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、繊維構造体１１は、樹脂強化用の繊維束１２１，１３１，１４１，１５１からなる複数の強化繊維層１２，１３，１４，１５と、熱可塑性樹脂製の繊維束１６１，１７１，１８１，１９１，２０１からなる複数の樹脂繊維層１６，１７，１８，１９，２０と、抜け止め糸２１と、拘束糸２２とから構成されている。抜け止め糸２１及び拘束糸２２は、熱可塑性樹脂製である。樹脂強化用の繊維束１２１〜１５１、熱可塑性樹脂製の繊維束１６１〜２０１、抜け止め糸２１及び拘束糸２２は、連続繊維からなる。
【００２０】
強化繊維層１２，１３，１４，１５は、隣り合う熱可塑性樹脂製の樹脂繊維層１６，１７，１８，１９，２０の間に配置されており、繊維構造体１１の最外層は、樹脂繊維層１６と樹脂繊維層２０とである。拘束糸２２は、繊維構造体１１の厚み方向に繊維構造体１１を貫通しており、拘束糸２２は、樹脂繊維層１６の外側で抜け止め糸２１を跨ぐように折り返されている。つまり、拘束糸２２は、強化繊維層１２〜１５と樹脂繊維層１６〜２０とを積層状態に結合する。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、繊維束１２１は、一方向に引き揃えられている。つまり、繊維束１２１は、その長さ方向が矢印Ｘで示す同じ方向（以下においてはＸ方向と記す）に揃うように配列されている。繊維束１３１は、その長さ方向が繊維束１２１の長さ方向（Ｘ方向）に対して斜交する矢印Ｂ１の方向（以下においてはＢ１方向と記す）に揃うように配列されている。繊維束１４１は、その長さ方向が繊維束１２１の長さ方向（Ｘ方向）に対して直交する矢印Ｙの方向（以下においてはＹ方向と記す）に揃うように配列されている。繊維束１５１は、その長さ方向が繊維束１２１の長さ方向Ｘに対して斜交する矢印Ｂ２の方向（以下においてはＢ２方向と記す）に揃うように配列されている。
【００２２】
繊維束１６１，１７１，１８１，１９１は、その長さ方向が繊維束１２１の長さ方向と同じ方向Ｘに揃うように配列されており、繊維束２０１は、その長さ方向が方向Ｙに揃うように配列されている。
【００２３】
繊維束１２１〜１５１としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の繊維束が用いられる。樹脂繊維層１６〜２０、抜け止め糸２１及び拘束糸２２の材質である熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン等を採用することができる。
【００２４】
図１（ｄ）は、繊維強化複合材の製造工程（繊維構造体１１の製造工程を含む）のフローチャートである。以下に積層工程について説明する。
図２（ａ）に示すように、矩形状の枠体２３に所定ピッチで立設された多数のピン２４に繊維束１６１を折り返し係合させてＸ方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１６が形成される。樹脂繊維層１６の形成後、図２（ｂ）に示すように、ピン２４に繊維束１２１を折り返し係合させてＸ方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１６の上に強化繊維層１２が形成される。強化繊維層１２の形成後、図２（ｃ）に示すように、ピン２４に繊維束１７１を折り返し係合させてＸ方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１７が形成される。
【００２５】
樹脂繊維層１７の形成後、図３（ａ）に示すように、ピン２４に繊維束１３１を折り返し係合させてＢ１方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１７の上に強化繊維層１３が形成される。強化繊維層１３の形成後、図３（ｂ）に示すように、ピン２４に繊維束１８１を折り返し係合させてＸ方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１８が形成される。樹脂繊維層１８の形成後、図３（ｃ）に示すように、ピン２４に繊維束１４１を折り返し係合させてＹ方向に引き揃えることによって樹脂繊維層１８の上に強化繊維層１４が形成される。
【００２６】
強化繊維層１４の形成後、図４（ａ）に示すように、ピン２４に繊維束１９１を折り返し係合させてＸ方向に引き揃えることによって強化繊維層１４の上に樹脂繊維層１９が形成される。樹脂繊維層１９の形成後、図４（ｂ）に示すように、ピン２４に繊維束１５１を折り返し係合させてＢ２方向に引き揃えることによって強化繊維層１５が形成される。強化繊維層１５の形成後、図４（ｃ）に示すように、ピン２４に繊維束２０１を折り返し係合させてＹ方向に引き揃えることによって強化繊維層１５の上に樹脂繊維層２０が形成される。
【００２７】
以上により積層工程が終了する。
次に、挿入工程について説明する。
例えば特開平８−２１８２４９号公報に開示されている方法により、拘束糸２２が積層された樹脂繊維層１６〜２０及び強化繊維層１２〜１５に挿入される。つまり、挿入針の先端にある孔に拘束糸２２を係止した状態で、繊維層１２〜２０の積層方向〔図１（ａ）に矢印Ｚで示す方向〕に挿入針が挿入され、挿入針の孔が樹脂繊維層１６を貫通する位置まで挿入針が前進される。その後、挿入針が僅かに後退され、拘束糸２２がＵ字状のループを形成した状態となる。次いで、抜け止め糸針が拘束糸２２のＵ字状のループ内を通過され、繊維層１２〜２０の端部まで到達した時点で停止される。このとき、抜け止め糸２１が抜け止め糸針の先端に係止される。そして、抜け止め糸針が引き戻され、抜け止め糸２１が拘束糸２２のＵ字状のループ内に挿通された状態となる。この状態で挿入針が引き戻される。これにより、抜け止め糸２１が拘束糸２２により締め付けられて繊維構造体１１が製作される。
【００２８】
以上により挿入工程が終了する。
製作された繊維構造体１１は、固定型と可動型とを備えた加熱可能なプレス型（図示略）の固定型内に入れられる（配置工程）。
【００２９】
プレス型に入れられた繊維構造体１１は、加熱されると共に、可動型のプレス動作によって加圧を受ける（加熱・加圧工程）。この場合の加熱温度は、樹脂繊維層１６〜２０、抜け止め糸２１及び拘束糸２２の材質である熱可塑性樹脂の溶融温度（融点）以上である。
【００３０】
樹脂繊維層１６〜２０が完全に溶融するとみなされる時間が経過すると、加熱・加圧を受けた繊維構造体１１は、プレス型内で冷却される（冷却工程）。加熱・加圧を受けた繊維構造体１１が冷却されて熱可塑性樹脂が固化すると、図１（ｃ）に示す繊維強化複合材１１Ａが形成される。図１（ｃ）におけるＰは、樹脂繊維層１６〜２０、抜け止め糸２１及び拘束糸２２が溶融して固化した熱可塑性樹脂を示す。
【００３１】
本実施形態では以下の効果が得られる。
（１）拘束糸２２の挿入針は、樹脂繊維層１６〜２０と強化繊維層１２〜１５との積層構造体を挿通し易い。しかも、樹脂繊維層１６〜２０は、樹脂強化用の連続繊維（繊維束１２１〜１５１）を配列して強化繊維層１２〜１５を形成する過程で、熱可塑性樹脂製の連続繊維（繊維束１６１〜２０１）を配列して形成することができ、樹脂繊維層１６〜２０の形成が容易である。従って、繊維構造体１１の生産性が向上する。
【００３２】
（２）繊維構造体１１の最外層を樹脂繊維層１６，２０とした構成では、熱可塑性樹脂製の繊維（繊維束１６１〜２０１）をプレス型内で溶融して得られる繊維強化複合材１１Ａの表面の平滑が可能である。
【００３３】
（３）拘束糸２２及び抜け止め糸２１を熱可塑性樹脂製とした構成では、樹脂繊維層１６〜２０を溶融して繊維強化複合材１１Ａを形成したときに拘束糸２２及び抜け止め糸２１も溶融するため、繊維強化複合材１１Ａの表面の平滑性が高まる。
【００３４】
（４）生産性に有利な繊維構造体１１を加熱・加圧して繊維強化複合材１１Ａを製造する方法は、繊維強化複合材１１Ａの生産性を高める。
本発明では以下のような実施形態も可能である。
【００３５】
○前記した実施形態において、拘束糸２２の材質である熱可塑性樹脂の溶融温度（融点）が樹脂繊維層１６〜２０の材質である熱可塑性樹脂の溶融温度（融点）よりも高くなるように、樹脂繊維層１６〜２０の材質である熱可塑性樹脂の種類と、拘束糸２２の材質である熱可塑性樹脂の種類とを異ならせるようにしてもよい。このようにすれば、樹脂繊維層１６〜２０が溶融した後でも暫くの間は拘束糸２２の溶融がない。これは、樹脂繊維層１６〜２０の溶融後の各強化繊維層１２〜１５の繊維の長さ方向を予め規定された方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｂ１方向あるいはＢ２方向）に維持する上で有効である。各強化繊維層１２〜１５の繊維の長さ方向が予め規定された方向に維持されないとすると、各強化繊維層１２〜１５の繊維の長さ方向を規定したことによる繊維強化複合材１１Ａの所望の物性を確保することができない。
【００３６】
抜け止め糸２１の材質である熱可塑性樹脂の溶融温度（融点）が樹脂繊維層１６〜２０の材質である熱可塑性樹脂の溶融温度（融点）よりも高くなるようにすれば、一層好ましい。
【００３７】
樹脂繊維層１６〜２０の材質である熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを採用した場合には、拘束糸２２及び抜け止め糸２１の材質である熱可塑性樹脂としてナイロンを採用することができる。
【００３８】
○繊維構造体の最外層が強化繊維層であってもよい。
○繊維の長さ方向が異なり、隣り合った一対の強化繊維層間に樹脂繊維層を介在しないようにしてもよい。
【００３９】
○隣り合う一対の強化繊維層の繊維の長さ方向を同じにし、この一対の強化繊維層間に樹脂繊維層を介在するようにしてもよい。
○全ての樹脂繊維層の繊維の長さ方向を同じ方向（例えばＸ方向、Ｙ方向、Ｂ１方向あるいはＢ２方向のいずれか）に統一してもよい。
【００４０】
○樹脂繊維層の繊維の長さ方向をＢ１方向あるいはＢ２方向にしてもよい。
○強化繊維層間の結合を強くしたい場合には、結合糸の材質を樹脂強化用の繊維（炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等）と同質の繊維としてもよい。
【００４１】
○抜け止め糸の材質を樹脂強化用の繊維（炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等）と同質の繊維としてもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下にその効果と共に記載する。
【００４２】
〔１〕前記抜け止め糸は、熱可塑性樹脂製である請求項５に記載の繊維構造体。
抜け止め糸も熱可塑性樹脂製とすれば、樹脂繊維層の表面の平滑性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態を示し、（ａ）は、繊維構造体の側断面図。（ｂ）は、繊維層の繊維の長さ方向を示すための模式図。（ｃ）は、繊維強化複合材の側断面図。（ｄ）は、繊維構造体の製造方法、及び繊維強化複合材の製造方法を示すフローチャート。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、樹脂繊維層及び強化繊維層の形成を説明するための平面図。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、樹脂繊維層及び強化繊維層の形成を説明するための平面図。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、樹脂繊維層及び強化繊維層の形成を説明するための平面図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…繊維構造体。１１Ａ…繊維強化複合材。１２〜１５…強化繊維層。１２１〜１５１…連続繊維である繊維束。１６〜２０…樹脂繊維層。１６１〜２０１…連続繊維である繊維束。２１…抜け止め糸。２２…拘束糸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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