(57)【要約】  導電性繊維の構造層及び熱硬化性樹脂の第１の外層を含む硬化性プリプレグであって、熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含むその樹脂層が改善された電気伝導性及び優れた機械的特性を提供する硬化性プリプレグ。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性繊維の構造層及び熱硬化性樹脂の第１の外層を含む硬化性プリプレグであって、前記樹脂層が熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含む上記硬化性プリプレグ。
【請求項２】
第１の外層によって形成されていないプリプレグの面を形成する第２の外側樹脂層を含む、請求項１に記載のプリプレグ。
【請求項３】
第１の外側樹脂層と、存在する場合、第２の外側樹脂層の合計厚さが１５〜５０μｍである、請求項１又は２に記載のプリプレグ。
【請求項４】
前記熱可塑性粒子がポリアミドを含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項５】
前記熱可塑性粒子が、ポリアミド６、ポリアミド６／１２、ポリアミド１２又はその混合物を含む、請求項４に記載のプリプレグ。
【請求項６】
前記熱可塑性粒子が、プリプレグ中の全樹脂に対して５〜２０％、好ましくは１０〜２０％のレベルで存在する、請求項１から５までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項７】
前記熱可塑性粒子が、０．５〜０．９の真球度を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項８】
前記熱可塑性粒子が、５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの平均粒径ｄ５０を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項９】
前記ガラス状カーボン粒子が、プリプレグ中の全樹脂に対して０．３〜２．０重量％、好ましくは０．５〜１．５重量％、より好ましくは０．５〜１．０重量％のレベルで存在する、請求項１から８までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１０】
前記ガラス状カーボン粒子が、１０〜５０μｍ、好ましくは２０〜４０μｍの平均粒径ｄ５０を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１１】
前記ガラス状カーボン粒子の少なくとも５０重量％が、５μｍ以内の平均粒径である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１２】
前記ガラス状カーボン粒子が、少なくとも０．９５の真球度を有する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１３】
前記カーボン粒子の平均粒径と平均中間層厚さの比が、０．９：１〜１．５：１、より好ましくは１：１〜１．３：１である、請求項１から１２までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１４】
熱可塑性粒子とガラス状カーボン粒子の重量比が、３：１〜５０：１、好ましくは３：１〜４０：１、より好ましくは５：１〜３０：１、さらに好ましくは８：１〜２０：１である、請求項１から１３までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１５】
前記樹脂が二官能性エポキシ樹脂を含む、請求項１から１４までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１６】
前記樹脂が、その主鎖中に少なくとも１つのメタ置換フェニル環を有する三官能性エポキシ樹脂を含む、請求項１から１５までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１７】
前記樹脂がアミノスルホン硬化剤を含む、請求項１から１６までのいずれか一項に記載のプリプレグ。
【請求項１８】
請求項１から１７までのいずれか一項に記載の複数のプリプレグを含み、それによって、導電性繊維の複数の構造層並びに第１の外側樹脂層と、存在する場合、第２の外側樹脂層によって形成された複数の樹脂インターリーフ層を含むプリプレグスタック。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれか一項に記載のプリプレグ又はプリプレグスタックを高温及び任意選択で高圧にかけて硬化積層板を作製する方法によって得られる硬化複合積層板。
【請求項２０】
請求項１８に記載の硬化複合積層板を含む航空機胴体構造。
【請求項２１】
航空機燃料タンク建造物の部品である、請求項２０に記載の航空機胴体構造。
【請求項２２】
請求項１から１７までのいずれか一項に記載のプリプレグを製造するための方法であって、粒子を含まない樹脂を構造繊維の面の一方又は両方と接触させるステップと、前記樹脂を前記繊維に含浸させるステップと、続いて、熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含む樹脂を前記含浸構造繊維の面の一方又は両方と接触させるステップとを含む上記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料の電磁応答の改善に関し、特に、落雷によって引き起こされる損傷に対する抵抗性の改善を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、特に非常に低い材料密度で優れた機械的特性を提供することにおいて、従来の構造物をしのぐ裏付けのある利点を有する。結果として、そうした材料の使用はますます広まってきており、その応用分野は「工業用」や「スポーツ及びレジャー」から高性能の航空宇宙用部品までに及んでいる。
【０００３】
エポキシ樹脂などの樹脂を含浸させた繊維配置（arrangement）を含むプリプレグは、そうした複合材料の創出において広範に使用されている。一般に、そうしたプリプレグの複数の層を要望通り「重ね上げ（laid-up）」、得られた積層板を、通常高温にかけて硬化させて硬化複合積層板を得る。
【０００４】
一般的な複合材料は、複数のプリプレグ繊維層、例えば樹脂層でインターリーフされた炭素繊維の積層板でできている。炭素繊維はいくらかの電気伝導性を有するが、インターリーフ層の存在は、この伝導性が、積層板の面内の複合材料においてのみ示されることを意味する。積層板の表面に対して直角方向、いわゆるｚ方向への電気伝導性は低い。
【０００５】
このｚ方向の導電性の欠如は、落雷などの電磁気的な危険性に対する複合積層板の脆弱性に関与していると一般に認められている。落雷は非常に広範に及ぶ複合材料に損傷をもたらす可能性があり、飛行中の航空機構造物においてそれが起これば壊滅的なことになる。したがって、これは、そうした複合材料でできた航空宇宙用構造物のためには特に問題である。
【０００６】
さらに、航空宇宙用途で使用される複合材料は、機械的特性についての厳格な基準に適合しなければならない。したがって、導電性の何らかの改善は、機械的特性に対して悪影響を与えるはずはない。
【０００７】
そうした複合材料に対する落雷保護を提供するために、従来技術において広範な技術及び方法が提案されてきており、それは一般に、複合材料の重量増という犠牲を払って導電性要素を加えることを伴う。
【０００８】
ＷＯ２００８／０５６１２３では、それらが隣接繊維層と接触してｚ方向に電気的経路を生み出すように、樹脂インターリーフ層中に金属の導電性粒子を導入することによって、重量を大幅に増やすこと又は機械的特性に影響を及ぼすことなく、落雷抵抗の著しい改善を行っている。
【０００９】
欧州特許第２０５３０７８Ａ１号は、導電性粒子及び熱可塑性粒子を含むプリプレグを教示している。金属又は金属コーティングした導電性粒子が非常に好ましい。
【００１０】
しかし、腐食効果、爆発の危険性及び材料の熱膨張係数の差の可能性のため、金属をプリプレグ中に導入することは望ましくないことが分かっている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、導電性繊維の構造層及び熱硬化性樹脂の第１の外層を含む硬化性プリプレグであって、その樹脂層が熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含むプリプレグに関する。
【００１２】
本発明者らは、第１の外層中のガラス状カーボン粒子は、複数のそうしたプリプレグを一緒に積み重ねると、樹脂インターリーフ層によって分離された導電性繊維の複数の層を含むプリプレグスタックをもたらす効果を有しており、ｚ方向への高い導電性が得られ、且つインターリーフ構造物によって提供される優れた機械的特性も保持されることを見出した。さらに、導電性粒子が金属性ではないので、従来技術における金属の使用に伴う問題は克服される。
【００１３】
インターリーフ構造物によって提供される優れた機械的特性はその薄層状の配置によると考えられる。ガラス状カーボン粒子はインターリーフ層中に位置し、導電性繊維の隣接層間の電気的接続を提供するように作用する。したがって、そうしたプリプレグのスタックを形成させる場合、ガラス状カーボン粒子の少なくとも９０重量％が、外側樹脂層又は樹脂インターリーフ層中に存在することが好ましい。
【００１４】
したがって、他の態様では、本発明は、本明細書で定義する複数のプリプレグを含み、したがって導電性繊維の複数の構造層及び第１の外層によって形成された複数の樹脂インターリーフ層を含むプリプレグスタックにも関する。
【００１５】
例えば、そうしたスタックは、樹脂層の数に対応して４〜２００の構造層を含むことができる。適切なインターリーフ構造物は欧州特許第０２７４８９９号に開示されている。
【００１６】
好ましい実施形態では、プリプレグは、第１の外層によって形成されていないプリプレグの面を形成する第２の外側樹脂層を含む。第２の外層は通常第１の外層と同じ組成であり、好ましくは第１の外層と同じ厚さのものである。この実施形態では、複数のそうしたプリプレグが一緒に積み重ねられると、第１の外層と第２の外層は一緒になってインターリーフ層となる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
そうしたインターリーフ層は１５〜５０μｍの平均厚さを有することが好ましい。プリプレグが樹脂の第１外層だけしか含まない場合、これは、プリプレグスタックにおけるインターリーフ層全体を形成し、これもやはり１５〜５０μｍの平均厚さを有することが好ましい。プリプレグが樹脂の第１の外層と第２の外層の両方を有する場合、それらは一緒になってインターリーフ層を形成する。したがって、第１の外側樹脂層と第２の外側樹脂層を合わせた厚さは１５〜５０μｍである。
【００１８】
形成されたら、プリプレグスタックを高温及び任意選択で高圧にかけて硬化させて、硬化積層板を作製する。真空バッグ法、オートクレーブ法又はプレス硬化法などの公知の硬化方法を用いることができる。
【００１９】
熱可塑性粒子は得られる積層板に強靱性をもたらし、これは、ポリアミド、コポリアミド、ポリイミド、アラミド、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリーレンエーテル、ポリエステル、ポリウレタン及びポリスルホンなどの広範な材料から作製することができる。熱可塑性粒子はポリアミドを含むことが好ましい。好ましい材料には、ポリアミド６、ポリアミド６／１２及びポリアミド１２が含まれる。
【００２０】
熱可塑性粒子は広範なレベルで存在してよいが、プリプレグ中の全樹脂に対して５〜２０％、好ましくは１０〜２０％のレベルが好ましいことが分かった。そうしたプリプレグのスタックが形成された場合、熱可塑性粒子の少なくとも９０重量％が、外側樹脂層又は樹脂インターリーフ層の中に位置することが好ましい。
【００２１】
熱可塑性粒子は、球形であっても非球形であっても、また多孔性であっても非多孔性であってもよい。しかし、多孔性で非球形の、さらには不規則でより強靭な粒子が、特に衝撃強靱性を備えた良好な結果をもたらすことが示された。例えば、０．５〜０．９の真球度を有する粒子が好ましい。
【００２２】
真球度は、粒子がいかに球形であるかを示す尺度である。これは、その粒子と同じ体積を有する球形の表面積をその粒子の表面積で除したものである。したがって、球形粒子では真球度は１である。これはψ＝（６Ｖｐ）２／３π１／３／Ａｐで表すことができる。ここでＶｐは粒子体積であり、Ａｐは粒子表面積である。
【００２３】
粒子形状の別の好都合な尺度は縦横比（アスペクト比）である。本明細書ではこれを、最大断面直径と最小断面直径の比と定義する。したがって、球形の粒子は１：１の縦横比を有することになる。熱可塑性粒子は３：１〜１．２：１の縦横比を有することが好ましい。
【００２４】
熱可塑性粒子は、５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの平均粒径ｄ５０を有することが好ましい。
【００２５】
炭素は、片状黒鉛、黒鉛粉末、黒鉛粒子、グラフェンシート、フラーレン、カーボンブラック及びカーボンナノ繊維などのいくつかの形態で持ち込まれる。しかし、ガラス状（又はガラス質）のカーボン粒子だけが本発明での使用に適している。ガラス状カーボンは一般に黒鉛化不可能であり、少なくとも７０％ｓｐ２結合しており、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくは本質的に１００％ｓｐ２結合している。
【００２６】
ガラス状カーボン粒子は非常に硬く、樹脂とのブレンディング操作の際に崩壊することはない。ガラス状カーボン粒子は非常に低い空隙率か又はゼロ空隙率を有し、全体に中身が詰まっており、中に隙間はない。すき間のある粒子は、より軽いが、空隙を持ち込むことによって複合材料の機械的特性を損なう恐れがある。
【００２７】
ガラス状カーボン粒子は、繊維層の隣接層間を橋掛けすることを目的とするものである。しかし、そうした粒子が多すぎると、得られる積層板の機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、ガラス状カーボン粒子は、プリプレグ中の全樹脂に対して０．３〜２．０重量％、好ましくは０．５〜１．５重量％、より好ましくは０．５〜１．０重量％のレベルで存在することが好ましい。
【００２８】
ガラス状カーボン粒子は１０〜５０μｍ、より好ましくは２０〜４０μｍの平均粒径ｄ５０を有することが好ましい。
【００２９】
特に狭い粒度分布が特に有利であり、したがって、ガラス状カーボン粒子の少なくとも５０重量％が５μｍ以内の平均粒径であることが好ましいことが分かった。
【００３０】
ガラス状カーボン粒子は球形であっても非球形であってもよい。しかし、球形ガラス状カーボン粒子は、優れた導電性及び良好な粒子強度を提供することが分かった。例えば、少なくとも０．９５の真球度を有する粒子が好ましい。即ち、ガラス状カーボン粒子は１．１：１より小さい縦横比を有することが好ましい。
【００３１】
ガラス状カーボン粒子に橋掛け機能を提供するためには、カーボン粒子の平均粒径と平均中間層厚さの比は０．９：１〜１．５：１、より好ましくは１：１〜１．３：１である。
【００３２】
熱可塑性粒子とガラス状カーボン粒子の量の比は、良好な導電性と良好な強靱性の両方を達成するのに重要であることが分かっている。したがって、熱可塑性粒子とガラス状カーボン粒子の重量比は、好ましくは３：１〜５０：１、より好ましくは３：１〜４０：１、最も好ましくは５：１〜３０：１、さらに好ましくは８：１〜２０：１であることが好ましい。
【００３３】
構造繊維層中の繊維は、単一方向の布状であっても多軸型のものであってもよい。繊維は単一方向であり、例えば隣接層中の繊維が隣接繊維層間の角度を意味するいわゆる０／９０配置で、互いに直角となるように配置することによって、その方向が、プリプレグスタック及び／又は積層板全体にわたって変化していることが好ましい。他の多くの配置の中で、０／＋４５／−４５／９０などの他の配置ももちろん可能である。
【００３４】
繊維は、亀裂の入った（即ち、延伸破壊した）、選択的に不連続か又は連続した繊維を含むことができる。
【００３５】
導電性繊維は、金属化ガラス、炭素、グラファイト、金属化ポリマー及びその混合物などの様々な材料でできていてよい。炭素繊維が好ましい。
【００３６】
熱硬化性樹脂は、フェノール−ホルムアルデヒド、尿素−ホルムアルデヒド、１，３，５−トリアジン−２，４，６−トリアミン（メラミン）、ビスマレイミド、エポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ポリエステル、不飽和ポリエステル、シアン酸エステル樹脂又はその混合物などの当技術分野で従来から知られているものから選択することができる。
【００３７】
エポキシ樹脂、例えば単官能性、二官能性、三官能性又は四官能性のエポキシ樹脂が特に好ましい。好ましい二官能性エポキシ樹脂には、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル（例えば、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＧＹ２８１）、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン及びその混合物が含まれる。非常に好ましいエポキシ樹脂は、その主鎖の中に少なくとも１つのメタ置換フェニル環を有する三官能性エポキシ樹脂、例えばＡｒａｌｄｉｔｅ  ＭＹ０６００である。好ましい四官能性エポキシ樹脂はテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン（例えば、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＭＹ７２１）である。二官能性エポキシ樹脂と三官能性エポキシ樹脂のブレンドも非常に好ましい。
【００３８】
熱硬化性樹脂は１つ又は複数の硬化剤を含むこともできる。適切な硬化剤には、無水物、特にポリカルボン酸無水物；アミン、特に芳香族アミン、例えば１，３−ジアミノベンゼン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、特にスルホン、例えば４，４’−ジアミノジフェニルスルホン（４，４’ＤＤＳ）及び３，３’−ジアミノジフェニルスルホン（３，３’ＤＤＳ）並びにフェノール−ホルムアルデヒド樹脂が含まれる。好ましい硬化剤は、アミノスルホン、特に４，４’ＤＤＳ及び３，３’ＤＤＳである。
【００３９】
樹脂及び繊維の種類及び設計の他の例は、ＷＯ２００８／０５６１２３に見ることができる。
【００４０】
本発明によるプリプレグは一般に、樹脂が繊維間のすき間に流入しそれらに含浸するように、構造繊維の層を樹脂の１つ又は複数の層と通常高温で接触させることによって製造することができる。
【００４１】
一実施形態では、樹脂と熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子の混合物を調製する。次いでこの混合物をシート状にし、構造繊維の面の一方又はその両方と接触させる。粒子のサイズのため、それらは樹脂を含む繊維に含浸せず、そのかわり濾過されて外側樹脂層中に留まる。これは樹脂適用ステップを１つだけしか用いないので、この方法は一段プロセスと称される。
【００４２】
他の実施形態では、粒子を含まない樹脂をシート状にし、構造繊維の面の一方又はその両方と接触させる。この樹脂は繊維に含浸し、外面上にはほとんど又は全く残留しない。その結果、熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含む樹脂は、含浸した構造繊維の面の一方又はその両方と接触する。この混合物は外面上に残留し、さらに繊維に含浸することはない。２つの樹脂適用ステップを用いるので、この方法は二段プロセスと称される。
【００４３】
粒子が繊維をバラバラにしないため、より秩序だった積層板をもたらす傾向があるので、二段プロセスが好ましい。これは、優れた機械的特性をもたらすことができる。
【００４４】
二段プロセスを、樹脂の第１の外層と第２の外層の両方を有するプリプレグに適用することがさらに好ましい。この実施形態では、樹脂の２つの層を構造繊維の２つの面と接触させる。この樹脂は繊維に含浸し、外面上にはほとんど又は全く残留しない。続いて、熱可塑性粒子及びガラス状カーボン粒子を含む樹脂を、含浸した構造繊維の両面と接触させる。４つの樹脂フィルムが適用されるので、この方法は４フィルムプロセスと称される。
【００４５】
本発明は、航空宇宙工業における、特に航空機胴体パネルの成形における適用に特に適している。
【００４６】
落雷抵抗性のほかに、落雷に続く、「エッジグロー」として知られる現象を低減又は防止することも望ましい。これは複合材料構造物の末端での電荷の増大によって引き起こされ、これは発火源になる恐れがある。
【００４７】
航空機胴体構造で使用するための複合材料は、そうしたエッジグロー問題に悩まされ得ることが分かっている。これは、複合材料が燃料タンク建造物の一部を形成することを目的としている場合に特に危険な問題である。
【００４８】
したがって、本発明は、航空機燃料タンク建造物の硬化された積層複合材料部品を提供するのに理想的に適している。
【００４９】
ここで、本発明を、実施例により以下の図を参照して例示する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本発明による硬化複合積層板の横断面の画像を示す図である。
【図２】図２は、本発明による他の硬化複合積層板の横断面の画像を示す図である。
【図３】図３は、本発明による他の硬化複合積層板の横断面の画像を示す図である。
【実施例】
【００５１】
異なる量及び種類のカーボン粒子を含むプリプレグ（１０ｍ×０．３ｍ）のロールを作製した。比較のためガラス状カーボンを含まないプリプレグを１つ含めた。
【００５２】
１２層積層板の形態の７つの抵抗性パネルを０／９０重ね上げ法を用いて作製し、オートクレーブ中で１８０℃、３バールの圧力で２時間硬化させた。以下の表１に、カーボンミクロスフェアを含むプリプレグとミクロスフェアを含まない比較用のプリプレグの抵抗性の結果を示す。抵抗性は、パネル（３５ｍｍ×３５ｍｍ）から正方形の試料を切り出し、各正方形試料の側部を金でコーティングして測定した。電極を、コーティングした試料上に配置し、次いで電源から電流（Ａ）を供給し、電圧を測定した。抵抗を、オームの法則（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）を用いて算出した。
【表１】
2013503930.tif 000002
【００５３】
第１の型のカーボン粒子は、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ（ＵＳＡ）からの２０〜５０μｍのＩ型であり、０．９９超の真球度及び３０．１μｍの平均粒径ｄ５０を有する高度に球形のものである。第２の型のカーボン粒子は、ＨＴＷ  Ｈｏｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ−Ｗｏｒｋｓｔｏｆｆｅ  ＧｍｂＨからの２０〜５０μｍのＳｉｇｒａｄｕｒ  Ｇであり、約０．６５の真球度及び２９．３μｍの平均粒径ｄ５０を有する不規則な形状のものである。第３の型のカーボン粒子はやはりＨＴＷからの２０〜５０μｍのものであり、０．９９超の真球度及び３０．５μｍの平均粒径ｄ５０を有する高度に球形のものである。粒径は、Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒを用いて、３００ｍｍのレンジのレンズ及び２．４０ｍｍのビーム長で測定した。
【００５４】
ガラス状カーボン粒子を含む積層板は、電気抵抗の著しい低下を示していることが分かる。抵抗の低下は、球形粒子の方が不規則な粒子より顕著であることにも注目すべきである。これは、不規則な粒子を有する隣接構造層間では接触がより少ないためであると考えられる。
【００５５】
図１、図２及び図３に、それぞれ例４、３及び６による硬化積層板の横断面を示す。
【００５６】
これらの画像は、ページ１０中に配列された一方向の炭素繊維、及びページ１２を横断して配列された一方向の炭素繊維の層を示している。炭素繊維の層と樹脂中間層１４を分離している。不規則でより強靭な粒子が樹脂中間層１４に分散している。中間層内には高度に球形のガラス状カーボン粒子１６も分散している。
【００５７】
様々な機械的試験を、例３、７及び比較例８で作製したバッチについて実施した。結果を以下の表２に示す。
【表２】
2013503930.tif 000003
【００５８】
本発明によるガラス状カーボン粒子を添加しても、機械的特性に対して顕著な影響は及ぼしていないことが分かる。
【図１】
2013503930.tif 000004
【図２】
2013503930.tif 000005
【図３】
2013503930.tif 000006
【国際調査報告】
2013503930.tif 000007
2013503930.tif 000008