(57)【要約】  【課題】取り扱い性が良好で、曲面部にも優れた賦形性を有するプリフォーム用基材を提供することを目的とする。  【解決手段】本発明のプリフォーム用基材は、強化繊維が配列したシートを少なくとも２枚以上厚み方向に配置し、シート間を接合した複合シートであって、該シート間の剥離強さが、１０〜７００Ｎ／ｍ２の範囲であるプリフォーム用基材に関するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維が配列したシートを少なくとも２枚以上厚み方向に配置し、シート間を接合した複合シートであって、該シート間の剥離強さが、１０〜７００Ｎ／ｍ２の範囲であることを特徴とするプリフォーム用基材
【請求項２】
強化繊維が配列したシートが一方向織物であり、該一方向織物の強化繊維の配置パターンが、（４５°／０°／−４５°／９０°）、（０°／９０°）、（４５°／−４５°）、（０°／０°）、（９０°／９０°）の少なくとも１種を含む請求項１に記載のプリフォーム用基材。
【請求項３】
強化繊維が配列したシートが２軸または多軸の織物である請求項１または２のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項４】
強化繊維が炭素繊維および／またはガラス繊維を含む請求項１〜３のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項５】
強化繊維が配列したシートの一枚当たりの目付が１００〜１０００ｇ／ｍ２である請求項１〜４のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項６】
強化繊維が配列したシートの表面に熱可塑性樹脂および／または熱硬化性樹脂を含む樹脂材料が配置されている請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項７】
強化繊維が配列したシートの表面に配置されている樹脂材料が、粒子状である請求項６に記載のプリフォーム用基材。
【請求項８】
強化繊維が配列したシートの表面に配置されている樹脂材料の付着量が２〜４０ｇ／ｍ２である請求項６または７のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項９】
強化繊維が配列したシートの表面に配置されている樹脂材料の０．１〜５０％が、対面のシートに熱融着している請求項６〜８のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項１０】
熱融着部が、不連続であり各融着部の面積が０．５〜１０ｍｍ２である、請求項６〜９のいずれかに記載のプリフォーム用基材。
【請求項１１】
熱融着部が格子状に５〜５０ｍｍ間隔で全面に存在している請求項６〜１０に記載のプリフォーム用基材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のプリフォーム用基材を用いたプリフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化複合材料をレジントランスファーモールディング法（以下、ＲＴＭ法という）により製造する際の中間基材であるプリフォームを作製するためのプリフォーム用基材に関し、特に、取り扱い性、および、曲面形状に対する賦形性が、良好であるため高品質なプリフォームを効率よく作製することが可能なプリフォーム用基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維からなるプリフォームを型内に入れ、型内に液状の樹脂を注入してプリフォームに含浸させ、その後、加熱硬化して繊維強化複合材料を得るＲＴＭ法や、成形型上にセットしたプリフォームをバッグフィルムで覆いバッグ内を真空にした後、マトリックス樹脂を注入してプリフォームに含浸させ、その後、加熱硬化する真空補助ＲＴＭ（以下、ＶａＲＴＭ法という）成形法が、生産性の優れる繊維強化複合材料の製造方法として近年注目されている。これらの成形法では複雑な形状を有する大型の部材を短時間で成形できるという利点がある。
【０００３】
ＲＴＭ法やＶａＲＴＭ法に適用するプリフォームの製造は、通常強化繊維シートを平面上に一枚一枚配置し、そのシート積層体を賦形冶具を用いて所定形状に賦形するという手間の掛かる作業が必要であった。そのため、作業中に積層がずれたり、賦形型にセットした際に基材が滑り落ちたりして、積層構成がずれたりするため、目的の力学特性を満たすためには、何らかの手段で各シート間を仮止めする必要があった。
そこでシート間が仮止めされたプリフォーム用基材として、シート間がステッチ糸で接合された基材が提案されている（例えば特許文献１）。このプリフォーム用基材はシート同士がステッチ糸で接合されていることから、プリフォームを製造する段階で強化繊維の配向がずれることがないので作業性は改善される。しかしながら、該プリフォーム用基材を賦形型に沿わせて変形、固定させる場合、緩やかな形状には適用可能であるが、例えば、直角に曲げる部分などの場合は、ステッチ糸の締め付けが規制となり、曲げの内層と外層の周長差により内層のシートに皺が発生し、繊維強化プラスチックとしたときに本来の強度を発現できないという問題があった。
【０００４】
またシート間が仮留めされた基材として、端部のみが接合されたプリフォーム用基材が提案されている（特許文献２）。このようなプリフォーム用基材を所定の曲面を有する賦形型に沿わせれば、接合部を基点として各シートが滑動するため、皺や折れが発生しない。しかしながら、このようなプリフォーム用基材は端部のみが接合されている均一性の乏しいプリフォーム用基材であるため、汎用性が低く用途が限定されるばかりか、成形後にはこの端部を切り離す必要がある。また端部以外は接合されていないため、作業性が悪く、搬送時や賦形時に各シートがずれるという問題もある。
【特許文献１】特開２００４―１６０９２７号公報
【特許文献２】特開平５―１８５５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、かかる問題点を解決し、取り扱い性に優れ、曲面形状にも皺無く賦形できるとともに、優れた力学特性を有するＦＲＰ成形品が得られるプリフォーム用基材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、上記問題点を解決するために鋭意検討を行い、プリフォーム用基材を曲面形状に賦形する際に生じる内層の皺とシート間の剥離強さに密接な関係があることを見いだすとともに、以下の構成を有することにより、取り扱い性に良好で曲面形状にも優れた賦形性を有し、また成形したときに優れた力学特性を有するプリフォーム用基材が得られることを見いだすに至った。
【０００７】
すなわち本発明のプリフォーム用基材は強化繊維が配列したシートを少なくとも２枚以上厚み方向に配置し、シート間を接合した複合シートであって、該シート間の剥離強さが、１０〜７００Ｎ／ｍ２であるプリフォーム用基材に関するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のプリフォーム用基材は、成形時の取り扱い性が良好で、曲面部にも優れた賦形性を有し、かつ、本発明のプリフォーム用基材を用いた成形品は優れた力学特性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について、望ましい実施の形態とともに具体的に説明する。図１は本発明のプリフォーム用基材の一例を概略的に示す斜視図であり、図２は図１のプリフォーム用基材のＡ−Ａ矢視の断面図である。
【００１０】
図１において本発明のプリフォーム用基材１は強化繊維が配列したシート２が少なくとも２枚以上厚み方向に配置されており、各シート間は樹脂材料３で接合されている。図では７枚であるが、必要に応じて２〜１００枚に適宜設定することができる。配置するシートの枚数を多くすれば、所望のシート間の剥離強さが得にくくなるものの、プリフォームを効率良く作成することができ、好ましい。配置するシートの枚数が少なくても、各シートの厚みが大きければ周長差も大きくなるため、本発明の効果を発揮することができる。
【００１１】
強化繊維が配列したシート２は各シート間においてそれぞれのシートが接合されており、シート間の剥離強さは１０〜７００Ｎ／ｍ２の範囲であることが必要である。剥離強さは１５〜４５０Ｎ／ｍ２の範囲にあることが好ましく、２０〜２００Ｎ／ｍ２であれば、より好ましい。剥離強さが１０Ｎ／ｍ２未満であるとシートが剥離しやすく作業性が悪いこと、運搬中に繊維配向のずれが生じることから不適当である。またシート間の剥離強さが７００Ｎ／ｍ２を超えると、プリフォーム用基材１を図４に示すような賦形冶具８でＣ型に賦形したときに、各強化繊維が配列したシート２が内外層の周長差を緩和するように滑らないため内層の曲面部に皺が発生することになり、所望の力学特性を有する成形品が得ることが出来ないため不適当である。
【００１２】
ここでいう剥離強さとは、シート間を剥がすのに要する応力をいい、次のように測定する。先ずプリフォーム用基材から１５０ｍｍ角の試験片をサンプリングし、その試験片の両面に十分な剛性を有する試験片とほぼ同形状の鉄鋼板など（１５０ｍｍ角、試験機、重り等の取り付け機構を具備）を全面にわたって接着させ試験体を作成する。なお、試験片と上下面の板は、試験中にシート間より先に剥がれないように両面粘着テープ等で接着する。また試験片と上面の鉄鋼板などの重心位置は試験片にねじりモーメントが加わらないように、ほぼ一直線になるように配置する。次に試験体の片側を十分な荷重を支持可能な構造体（引っ張り試験機など）にセットし、もう片側に重りをゆっくりと取り付け、シートが剥がれたときの重さを読みとる。試験結果はシート間が剥離した時の重さ（ｋｇ）を剥離荷重とし、これを用いて以下の算出式から剥離強さを求める。測定は、1検体につきＮ数５で実施し、平均を求めるものとする。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
本発明に使用する強化繊維が配列したシート２の強化繊維としては、マルチフィラメントであり、特にその種類に制限はないが、例えば、ガラス繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、金属繊維、有機（ポリアラミド、ＰＢＯ、液晶ポリマー繊維、ＰＶＡ、ＰＥポリフェニレンサルファイド繊維等）繊維または炭素繊維等が挙げられる。とくに炭素繊維は比強度および比弾性率に優れ、耐吸水性に優れるので、航空機や自動車などの構造材の強化繊維として好ましく用いられる。
【００１５】
中でも、高靱性炭素繊維であると、成形される繊維強化プラスチックの衝撃吸収エネルギーが大きくなるので、航空機１次構造材としても適用が可能となる。すなわち、ＪＩＳ−Ｒ−７６０１に準拠して測定される引張弾性率（Ｅ）が２８０ＧＰａを超え８００ＧＰａ未満であり、かつ破壊歪みエネルギー（σ２／２Ｅ、σ：ＪＩＳ−Ｒ−７６０１に準拠して測定される引張強度）が５３ＭＪ／ｍ３以上であることが好ましい。
強化繊維が配列したシート２の形態としては、織物（一方向、２軸、多軸）、編物が挙げられる。中でも意匠性に優れ、高い力学特性の成形品が得られることから一方向または２〜４軸の織物が好ましい。。ここでいう一方向織物とは例えば図３に概略斜視図を示すように一方向織物４は、応力が集中するような屈曲を有しない強化繊維５を一方向にお互いに並行にシート上に配列し、このシート面の両側に強化繊維を一方向に互いに並行にシート状に配列し、このシート面の両側に強化繊維と交差する、細い横糸６が位置し、これら横糸６と、強化繊維と並行する縦糸方向補助糸７とが織組織をなして強化繊維を一体に保持してなる、いわゆる一方向ノンクリンプ織物である。一方向織物４の好ましい形態として、前記一方向織物は縦糸が炭素繊維であり、横糸方向補助糸繊度が６〜７０デシテックスであり、よこ方向補助糸の密度が０．３本／ｃｍ〜６．０本／ｃｍ未満であり、かつ炭素繊維の目付はＪＩＳ  Ｋ  ７６０２に準拠し１００ｇ／ｍ２〜１０００ｇ／ｍ２未満である構成を上げることが出来る。
【００１６】
強化繊維が配列したシート２を配置するパターンは、（４５°／０°／−４５°／９０°）、（４５°／９０°／−４５°／０°）などの４５°ずれや（０°／９０°）、（４５°／−４５°）などの９０°ずれや（０°／０°）、（９０°／９０°）などの同配向のパターンなどを少なくとも１種以上含むものが好ましい。中でも、方向による力学特性の差が少ない、（４５°／０°／−４５°／９０°）などの４５°ずれのパターンを含むことが好ましい。なお、ここでいう０°とは連続したプリフォーム用基材の長手方向のことであり、強化繊維シートが一方向に配列したトウシートや一方向織物においては、強化繊維配列方向のことであり、２軸織物においては、たて糸の配列方向と定義する。
【００１７】
各強化繊維が配列したシート２の表面には樹脂材料３を配することにより、成形体の積層層間部の靭性向上による力学特性を向上や、型上への積層時に熱融着させて作業性を改善する等の機能を持たせることができるために好ましい。樹脂材料３としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が挙げられ、これらを単独で使用しても組み合わせて使用しても良い。
【００１８】
熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリエーテルケトンケトン、これらの変性樹脂、共重合樹脂などを使用するのが好ましく、その中でもポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルホンを使用するのがシート間の強度を増加させることができる点でより好ましい。
【００１９】
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などを好ましく使用することができる。
【００２０】
また熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂を組み合わせて使用することは、両者の優れた点を両立でき好ましい。例えば、熱可塑性樹脂を熱硬化性樹脂で改質することにより、熱可塑性樹脂の耐溶剤性を熱硬化性樹脂により改善しかつ、熱可塑性樹脂の特有の高い靭性向上効果が得られるものを得ることが可能となる。このような目的において、熱可塑性樹脂の配合量は耐衝撃性に優れた繊維強化プラスチックが得られる点から３０〜１００重量％であることが好ましい
樹脂材料３の形態としては、例えば粒子状、繊維状、フィルム状のものが挙げられる。中でも使用できる樹脂の種類が多様であること、プリフォームにおける強化繊維体積率を高くすることができる点から粒子の形態が好ましい。かかる粒子は、平均直径（楕円形の場合は平均短径）は小さければ、小さいほど均一に強化繊維が配列したシート２の表面分散させることが可能となるため、１ｍｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下であればより好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましい。強化繊維が配列したシート２の表面に付着した粒子の径が大きければ、大きいほど表面の凹凸が大きくなり、強化繊維が屈曲する可能性があるので、強化繊維が配列したシート２表面における粒子の平均厚さは、５〜２５０μｍの範囲であることが好ましい。
【００２１】
上記樹脂材料の付着量は、前記したような特性の向上効果が得られ、かつマトリックス樹脂の含浸性を阻害しない点から２〜４０ｇ／ｍ２が好ましく、より好ましくは１０〜３５ｇ／ｍ２である。なお、この樹脂材料の付着面は含浸性やＦＲＰの力学特性を阻害しなければ、片面、両面のいずれかに特定するものではない。
【００２２】
各強化繊維が配列したシート間の接合の方法は特に限定されず、例えば樹脂材料を加熱溶融させる熱融着法や前記樹脂材料として、粘着性のある樹脂を表面に付与しておくといった方法などがある。中でも加熱処理のみで熱融着できる熱融着法が、生産性に優れ、プロセスが簡便であることからより好ましい。熱融着法により接合する場合、各強化繊維が配列したシートを接合する熱融着部はシートの表面に配置されている樹脂材料の０．１〜５０％が熱融着していることが所望の剥離強さが得られることから好ましく、０．５〜４０％であればより好ましい。熱融着部は、所望の剥離強さが得やすいこと、シート間の拘束点を少なくできることから、不連続であることが好ましく、また該熱融着部の面積は０．５〜１０ｍｍ２が好ましく、１〜５ｍｍ２であればより好ましい。
【００２３】
熱融着部の間隔は、シート間の融着を行う設備を簡便化できることから５〜５０ｍｍが好ましく、より好ましくは１０〜４０ｍｍである。
【００２４】
また、熱融着部は、取り扱い性に優れること、基材としての応用範囲が広いことから、シートの全面に渡って存在することがより好ましい。熱融着部の配列として、規則的な配列、ランダムな配列があるが、シート間の全面に渡って均一な剥離強さが得られる点から規則的な配列が好ましく、配列としては治具の設計やメンテナンス点が行いやすいことから格子状の配列が好ましい。ここでいう格子状の配列とは、直線が交わってなる網目の交点に熱融着部が配列した状態をいう。また熱融着部の密度は、設備が簡便化できることから４００〜４００００個／ｍ２であることが好ましい。本発明のプリフォームは前記プリフォーム用基材を用いて作成したものであり、例えば次のように作製することができる。雄型のプリフォーム型に少なくとも一枚以上のプリフォーム用基材を配置し、この上から雌型の賦形型を載せ、若干加圧した状態で樹脂材料のＴｇ（ガラス転位温度）以上に加熱した後、温度を下げて脱型することによって得られる。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
強化繊維が配列したシート２としては、引張り強さが５８００Ｍｐａ、引張弾性率が２９０ＧＰａのフィラメント数が２４０００本の炭素繊維をもちいて、炭素繊維重量１９０ｇ／ｍ２の織物シートを製織した。この織物シートを製織する過程において、ポリエーテルスルホンとエポキシ樹脂の配合割合が６０：４０の混合樹脂を粉砕した樹脂材料３（Ｔｇ：６９℃）の粉体を織物シート表面に散布した後、熱融着させた。なお前記強化繊維が配列したシート２における樹脂材料３の付着量は２７ｇ／ｍ２であった。
【００２６】
前記強化繊維が配列したシート２をツール板９上に７ｐｌｙを次のパターン（４５°／０°／−４５°／９０°／−４５°／０°／４５°）で配置した後、この積層体１０、圧着用治具１２、プレス機１３を８０℃の雰囲気下で４０分間静置した。次に積層体１０に圧着用治具１２を載せ、プレス機１３により各圧子１１の押圧が０．１ＭＰａとなるように１５分間熱プレスを行い、プリフォーム用基材１を作製した。
【００２７】
上記プリフォーム用基材から剥離強さ測定用の試験体を作製し、各強化繊維が配列したシート間の剥離強さを測定したところ１７５Ｎ／ｍ２であった。
【００２８】
このプリフォーム用基材を賦形治具８を用いてＣ型のプリフォームを作製したところ、皺のないプリフォームが得られた。
（比較例１）
熱プレス時間を２時間にしたほかは実施例１と同様にしてプリフォーム用基材を作成したところ、シート間の剥離強さは１５００Ｎ／ｍ２であった。このプリフォーム用基材を賦形治具８を用いてＣ型のプリフォームを作製したところ、内層のコーナー部に皺が発生した。
（比較例２）
積層体１０、圧着用治具１２、プレス機１３を６０℃の雰囲気下で、４０分間静置し、次に積層体１０に圧着用治具１２を載せ、プレス機１３により各圧子１１の押圧が０．２ＭＰａとなるように２０分間熱プレスを行ったほかは実施例１と同様にしてプリフォーム用基材を作成したところ、各強化繊維が配列したシート間の剥離強さは７Ｎ／ｍ２であった。このプリフォーム用基材を用いてＣ型のプリフォームを作製したところ、シート間にずれが生じ、所定の積層角度のプリフォームが得られなかった。積層角度のずれを確認するために、成形品の断面観察をしたところ、６〜１０°ほどの積層角度のずれが生じていた。
【００２９】
（実施例２）
炭素繊維重量３００ｇ／ｍ２の２軸の織物を用い、実施例１と同様にして樹脂材料３の付着量が１０ｇ/ｍ２のシートを準備した。次に、ツール板９上に該シートを９０°ずれ（０°／９０°／０°／９０°・・・・）のパターンで３０枚配置し、圧着用治具１２で１０分間熱プレスを行い、プリフォーム用基材を作成した。上記プリフォーム用基材から剥離強さ測定用の試験体を作製し、シート間の剥離強さを測定したところ５０Ｎ／ｍ２であった。このプリフォーム用基材を賦形治具８を用いてＣ型のプリフォームを作製したところ、皺のないプリフォームが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施態様に係わるプリフォーム用基材の斜視図である。
【図２】図１のプリフォーム用基材のＡ−Ａ線矢視の断面図である。
【図３】一方向織物の一実施態様に係わる斜視図である。
【図４】プリフォーム用基材をＣ型賦形時の断面図である。
【図５】本発明のプリフォーム用基材の製造時の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    プリフォーム用基材
２    強化繊維が配列したシート
３    樹脂材料
４    一方向織物
５    強化繊維
６    横糸
７    縦糸方向補助糸
８    賦形治具
９    ツール板
１０    積層体
１１    圧子
１２    圧着用治具
１３    プレス機
【図１】
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【図２】
2006103305.tif 000005
【図３】
2006103305.tif 000006
【図４】
2006103305.tif 000007
【図５】
2006103305.tif 000008