(57)【要約】【課題】予備成形体への形成性に優れるだけでなく、樹脂の注入が容易に行え、さらに作製された繊維強化複合材料が優れた特性を有する、繊維強化複合材料の予備成形体の作製に用いられる基材の提供。【解決手段】本発明による基材は、有機繊維不織布層の片面または両面に強化繊維チョップドストランド層がステッチ糸により連結された複層構造を有し、有機繊維不織布層が、ニードルパンチによりニードルされた不織布からなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維複合材料の予備成形体の作製に用いられる基材において
前記基材が、有機繊維不織布層と強化繊維チョップドストランド層からなる複層構造の基材であり、
前記有機繊維不織布層は、ニードルパンチ有機繊維不織布からなり、
前記有機繊維不織布層の少なくとも片面に、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、天然繊維から選ばれる強化繊維チョップドストランド層を有し、
前記有機繊維不織布層と前記強化繊維チョップドストランド層がステッチ糸により連結されていることを特徴とする複層構造の基材。
【請求項２】
前記有機繊維不織布層が、７〜４０ｋｇ／ｍ３の嵩密度を有することを特徴とする請求項１に記載された基材。
【請求項３】
前記有機繊維不織布が、繊維長７０ｍｍ以上かつ繊維径５０〜２００デニールの有機繊維７５〜９５重量％と、繊維長５０ｍｍ以上かつ繊維径４〜１０デニールの有機繊維５〜２５重量％とからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された基材。
【請求項４】
前記有機繊維不織布がポリエステル繊維、オレフィン系繊維、ＰＥＴ繊維、セルロース系繊維のいずれかからなることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された基材。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された基材を用いて作製された繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰなどの繊維強化複合材料の成形に用いられる予備成形体用の基材、およびその基材を使用した繊維強化複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＭＤ（プリフォームマッチドダイ）成形、ＲＴＭ（レジン・インジェクション）成形等で利用されるガラス繊維予備成形体の製法には、ダイレクトプリフォーム法及びスタンプドプリフォーム法が知られている。
ダイレクトプリフォーム法は、５ｃｍ程度に切断したロービングを液状結合剤とともに所定形状のプリフォーム型に吹き付けた後、加熱乾燥させて固着性を与え、冷却後に型から取り外して予備成形体を成形する方法である。この方法は、成形型とは別個のプリフォーム型が必要であり、その製造のために専用設備が必要となり、経済性が悪い。また、成形型とは異なるプリフォーム型を使用するために、細部形状のずれまたは寸法違いが発生しやすい。さらに、バインダに有機溶剤を使用するため、作業環境が悪くなるという欠点を有している。
【０００３】
スタンプドプリフォーム法は、このダイレクトプリフォーム法の欠点を解決するものであって、シート状のガラス繊維基材を、成形上型と下型との間で圧縮成形する方法である。この方法では、ダイレクトプリフォーム法のようなプリフォーム型を必要とせず、作業環境の悪化は起こらない。
【０００４】
ダイレクトプリフォーム法、ＭＭＤ成形法やＲＴＭ成形法による繊維強化複合材料の製造では、予備成形体の形成に続いて、樹脂を予備成形体に注入する工程が行われる。そのため、予備成形体の基材には、予備成形体への形成に優れることだけでなく、樹脂の注入が容易に行えることが要求される。さらに作製された繊維強化複合材料の特性も考慮される。
【０００５】
スタンプドプリフォーム法に用いる基材としては、ガラス繊維チョップドストランドマットやガラス繊維連続ストランドマットを積層するものが知られている（特許文献１、特許文献２）。しかし、これらは、ドレープ性の制約があるためプリフォーム型に賦形する段階での複雑な形状賦形性が不十分であり、そのため、深絞り形状の予備成形体の製造においては、マットの部分的な伸び、千切れ、またはガラス繊維量のばらつきが発生して、予備成形体基材の厚みが一定でなくなることもある。また、空隙が小さいことやバインダの存在により、樹脂が含浸しにくいという問題がある。
【０００６】
また、ＦＲＰ成形時の樹脂流動性を考慮し、嵩密度を小さくして基材の厚みを確保する方法として、ガラス繊維の不織布や編物からなる厚み付与層の両面にガラス繊維の強化層が接合された基材が提案されている（特許文献３）。
また、特許文献４には、有機繊維不織布の両側にチョップドストランドマットをニードルパンチにより接合したものが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−８７１６８号公報
【特許文献２】特表２００５−５１５０８９号公報
【特許文献３】特表平１１−５００７９１号公報
【特許文献４】特開平５−１３２８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に記載された基材では、中間層がガラス繊維であることから、厚みを出そうとするとガラス繊維の量が多くなり、そのため空隙が小さくなり、樹脂注入時の樹脂流動性が低くなり、またガラス繊維の比重が大きいため成形体の重量も重くなる。特許文献４に記載された基材も、弾力性が不十分なため、予備成形体への成形により厚みが減少し、そのため樹脂流動性が低下するという欠点がある。また、不織布が千切れやすく、賦形性に劣っている。
【０００９】
本発明は、予備成形体への形成性に優れるだけでなく、樹脂の注入が容易に行え、さらに作製された繊維強化複合材料が優れた特性を有する、予備成形体の基材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、繊維強化複合材料の予備成形体の作製に用いられる基材において、基材は、有機繊維不織布層の片面または両面に強化繊維チョップドストランド層がステッチ糸により連結された複層構造を有し、有機繊維不織布層が、ニードルパンチによる有機繊維の交絡で得られる不織布からなる基材が提供される。強化繊維チョップドストランド層は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維、天然繊維から選ばれる。有機繊維不織布層は、７〜４０ｋｇ／ｍ３、とりわけ１０〜４０ｋｇ／ｍ３の嵩密度を有することが好ましい。
【００１１】
本発明の一具体例によれば、本発明では、少なくとも２種類の繊維径の有機繊維を組み合わせてシート化した不織布を使用する。好適な不織布は、繊維長７０ｍｍ以上かつ繊維径５０〜２００デニールの有機繊維が７５〜９５重量％と、繊維長５０ｍｍ以上かつ繊維径４〜１０デニールの有機繊維が５〜２５重量％とからなるものである。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、上記に記載された基材を用いて作製された繊維強化複合材料が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による予備成形体の基材の有機繊維不織布層は、ニードルパンチによる有機繊維の交絡で不織布化を施すことにより、予備成形体への成形の際に、基材全体が均一に伸び、そのため曲面などの形状になじみ易くなり、賦形性能が向上する。深絞り形状の予備成形体を作製しても千切れに対する抵抗性が向上している。ニードルパンチによって不織布化された有機繊維不織布の弾力性によって、外層の強化繊維チョップドストランド層を押し開くことにより、樹脂が流動するための適度な空隙が形成・維持され、樹脂流動性、含浸性が向上される。
また、本発明による予備成形体の基材を用いて成形された繊維強化複合材料は、その表面近傍にチョップドストランドが位置し、中間層の有機繊維不織布の適度な弾力性により型面に押し付けられ、表面ＦＲＰ部分のガラス繊維などの強化繊維の含有率が大きくなり、曲げ強度、表面平滑性が向上する。さらに、有機繊維不織布を用いるため、繊維強化複合材料の軽量化が達成される。
【実施例】
【００１４】
図１に、本発明による予備成形体の基材の一例を示す。基材１は、有機繊維不織布層３の両面に強化繊維チョップドストランド層２がステッチ糸５により接合されたものである。有機繊維不織布層の有機繊維不織布は、ニードルパンチにより有機繊維の交絡によって不織布化されている。不織布は、嵩密度１０〜４０ｋｇ／ｍ３に保持されたものが好ましい。なお、不織布層３の片面のみに強化繊維チョップドストランド層２を接合してもよい。
【００１５】
好ましくは、複数の繊維径の有機繊維を組み合わせてシート化した不織布を使用する。繊維径の大きい繊維は、基材の嵩、弾力性、樹脂透過性を向上させる。他方、繊維径の小さい繊維は、基材の絡まりを良くし、千切れに対する抵抗性、樹脂流動に対する抵抗性を付与する。このような太い径の繊維と細い径の繊維との比率を調整することにより、基材の嵩（厚さ）の設計、成形型形状に賦形される場合の千切れに対する抵抗性、基材の反発性（厚さ方向の弾力性）、樹脂流動に対する抵抗性、樹脂透過性などの基材に求められる要求をバランス良く最適化することが可能である。
【００１６】
好適な有機繊維不織布は、繊維長７０ｍｍ以上かつ繊維径５０〜２００デニールの有機繊維が７５〜９５重量％と、繊維長５０ｍｍ以上かつ繊維径４〜１０デニールの有機繊維が５〜２５重量％からなるものである。繊維径が、２００デニールよりも大きくなると、繊維の本数が少なくなり、局所的な伸びまたは千切れが発生しやすくなる。また、繊維径が、４デニールよりも小さいと、繊維密度が増えすぎて樹脂流動性が悪くなり、ＦＲＰ中の残存気泡が多くなり、樹脂の含浸により容易に溶解する。
【００１７】
不織布層の有機繊維は、成形樹脂（一般には、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシなどの樹脂）との親和性及び耐熱性に優れることからポリエステル繊維が好ましいが、オレフィン系繊維、ＰＥＴ繊維など他の有機繊維やセルロース系などの天然繊維も使用することができる。
【００１８】
以下、本発明による予備成形体の基材の特性を、予備成形体への形成性、樹脂の注入特性、および作製された繊維強化複合材料の特性に関して説明する。
【００１９】
まず、予備成形体への形成性に関しては、本発明による基材の有機繊維不織層となる不織布は、ニードルパンチによって有機繊維が交絡され不織布化している。そのため、有機繊維同士が絡みあい、面内方向の引張力に対して、徐々に有機繊維の局所的な伸びまたは千切れへの抵抗性を有し、均一伸びが得られるようになっている。また、ガラス基材をバインダで固着する方法ではなく、テンション管理したステッチ加工により接合されるので、各層の動きは面内方向の自由度を有することになり、局所的な伸びまたは千切れの抵抗性に寄与している。
さらに、有機繊維の繊維長さを長くし、繊維径の大きい繊維に混ぜて繊維径の小さい繊維を用いることにより、繊維同士の絡まりを多くし、基材にかかる引き伸ばし張力に対して安定した伸び特性が得られるようになっている。
【００２０】
ニードルパンチにより繊維の交絡がされ、不織布化された不織布層は、他の不織布化の方法（ケミカルボンド法、サーマルボンド法、スパンボンド法やステッチボンド法）に比べて嵩高な不織布ができる。そのため、厚さ方向の外力に対して、耐圧縮性が付加され、予備成形加工中の厚さ方向荷重に対して、厚み減少を起こしにくい。また、基材が伸ばされるとその部分の目付けは減少するが、不織布に繊維径の大きい繊維が混合されていることにより、基材は弾力性を有し、繊維強化複合材料の成形厚さに対して基材の厚さが減少しないようになっている。これらの特性により、製品の寸法安定性や強度が担保される。また、製品の厚みが部分的に変化してもその変化量が大きくなければ基材を追加することなく、本発明に基材１枚で厚み変化を吸収できるという効果も有する。
【００２１】
次に、成形加工性については、本発明は、基材の中間層に有機繊維不織布を用いるため、空隙がガラス繊維材料よりも大きくなっている。さらに、予備成形体への加工中の厚さ減少が小さいため、大きな空隙が維持される。このため、本発明による基材は、樹脂流動性に優れており、従って、複雑な形状でも樹脂を流動させることができ、成型サイクルを速くすることができるという効果がある。また、ガラス繊維などの強化繊維チョップドストランド層はバインダを全く含有しないため、樹脂含浸性が良好である。
【００２２】
繊維強化複合材料の特性に関しては、不織布層が弾力性を有することにより、プリフォーム型の中で表面層の強化繊維が片面に押し付けられ、それにより、最終製品である繊維強化複合材料の表面部の強化繊維含有率が大きくなり、その結果、繊維強化複合材料の表面平滑性や曲げ特性を向上させることができる。更に、本発明による基材は、従来のガラス繊維のみでできた基材に比較して、中間材料の比重が小さいことから軽量な製品を得ることができる。
【００２３】
実験例
目付け１５０ｇ／ｍ２の不織布（厚さ５ｍｍ）の両面にガラス繊維の強化繊維チョップドストランド層（目付け４５０ｇ／ｍ２、厚さ１ｍｍ）を設け、ポリエステル繊維製のステッチ糸（番手８４デニール）により全体を一体化した材料（表１の試料１〜試料４）を作製し、伸び性、弾力性、ＲＴＭ成形性の評価を行った。表１に示す試料１〜３には、有機繊維不織布層にニードルパンチにより不織布化した有機繊維不織布を使用した。有機繊維不織布層は、表１に記載されたカット長さおよび混合比により、５０〜２００デニールの繊維と４〜１０デニールの繊維を混合したものである（試料３には、４〜１０デニールの繊維は混合されていない）。試料４は、試料２と同じカット長および混合比であるが、不織布の製造方法を接着剤による不織布化したものを使用した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
これらの基材を用いて、基材の伸び性、弾力性およびＲＴＭ成形性を評価した。
伸びは、幅１．５ｃｍ×長さ５ｃｍに切断した基材の試験片をオートグラフ試験機（引っ張り速度１００ｍｍ／分）で引っ張り、破断時の引張伸びを測定した。伸びの値が、
４０％以上を○、３０％以上〜４０％未満を△、３０％未満を×とした。
弾力性は、重量７ｋｇ、底面積０．０４ｍ２の錘を基材の試験片に乗せ、錘を取り除いた後の厚さの回復度を測定した。９５％以上を○、８５〜９５％を△、８５％以下を×とした。
ＲＴＭ成形性は、幅７００ｍｍ×長さ９００ｍｍ×深さ１２０ｍｍの箱形状の実験型にて繊維強化複合材料を作製した。その際の型へのチャージ性（なじみ）、樹脂の流れ性、樹脂の含浸性を総合的に判断し、評価を行った。その結果を○、△、×とした。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
ニードルパンチにより不織布化された有機繊維不織布層を有する試料１、試料２および試料３は、ケミカルボンド法により不織布化された試料４に比較して、基材の伸び、弾力性に優り、良好なＲＴＭ成形性が得られた。試料１と試料２とを比較すると、繊維長さが９０ｍｍの試料２の方が、繊維長さが６０ｍｍの試料１よりも基材の伸び、弾力性に優る結果となった。
また、試料２と試料３とを比較すると、４〜１０デニールの有機繊維を混ぜた試料２のほうが、混ぜていない試料３に比べて基材の伸び、ＲＴＭ成形性に勝る結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による予備成形体の基材の一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１  予備成形体の基体
２  チョップドストランド層
３  有機繊維不織布層
５  ステッチ糸
【図１】
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