(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性の表面処理剤により表面処理された繊維束を配列して三次元繊維構造体を形成する工程と、前記三次元繊維構造体を加熱処理して前記表面処理剤を熱分解させずに反応硬化させる工程とを備えることを特徴とするプリフォームの製造方法。
【請求項２】
前記表面処理剤はサイジング剤又はカップリング剤である請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
【請求項３】
前記繊維束はガラス繊維から成る請求項１又は請求項２に記載のプリフォームの製造方法。
【請求項４】
前記繊維束は炭素繊維から成る請求項１又は請求項２に記載のプリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリフォームの製造方法に係り、詳しくは繊維強化複合材の強化材に使用される立体形状（三次元形状）のプリフォームの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材に使用される繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維等がある。繊維はモノフィラメントではなく、長繊維を束ねたストランド（撚り糸）やモノフィラメントが無撚り状態で多数束ねられたトウ（無撚り）が使用される。トウやストランドを扱う場合に繊維の集束性を高めたり、ストランドの毛羽立ちを抑制したりするため、一般に繊維はサイジング剤で処理されている。また、ガラス繊維を強化材に使用する場合は、ガラス繊維とマトリックス樹脂との接着性を高めるために、ガラス繊維がシラン系、チタン系、クロム系等のカップリング剤で処理されている。
【０００３】
従来、マトリックス樹脂が反応射出成形されるポリアミド樹脂からなる繊維強化樹脂に用いる繊維強化材として、繊維強化材とマトリックス樹脂のＲＩＭナイロンとの界面接着強度を上げるため、繊維強化材の表面に、硬化したエポキシ樹脂を付着して表面処理した繊維強化材が提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１の実施例では、カーボン繊維平織りクロスを用い、硬化剤を含まないエポキシ樹脂に含浸させ、サイジング剤として表面に１．７％付着させ、３００℃で６時間熱処理して、最終的エポキシ樹脂付着量０．８％のカーボン繊維平織りクロスを準備している。そして、カーボン繊維平織りクロスを金型に２０層積層配置してＲＩＭナイロンを注入して繊維強化樹脂を得ている。
【０００４】
また、ガラス繊維と被補強樹脂との接着性を十分かつ確実に向上し得、高強度・高弾性率のガラス繊維強化樹脂複合材料の製造に好適なガラス繊維が得られるようになるガラス繊維の処理方法が提案されている（特許文献２参照。）。この処理方法では、被膜形成剤としてエポキシ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステルの１種を含むサイジング剤を塗布したガラス繊維と、樹脂とを含むガラス繊維強化樹脂複合材料を製造するに際し、その製造前にガラス繊維を１００〜３５０℃の温度で加熱する。
【０００５】
また、従来、成形体表面の無機繊維強化剤が存在する部分が褐色化されることを防止された外観良好な繊維強化樹脂成形体の製造方法が提案されている（特許文献３参照。）。特許文献３の方法では、上型及び下型より成る成形型のキャビティ内に無機繊維強化材を載置して成形型を閉じ、次いでキャビティ内に液状樹脂原料を注入して硬化させ、硬化完了後、成形型を開いて成形体を脱型する繊維強化樹脂成形体の製造方法において、２５０〜５００℃で熱処理した無機繊維強化材を使用する。
【０００６】
繊維強化複合材が板状の場合、繊維強化複合材、特に繊維強化樹脂の場合はその製造に際して、成形型内に繊維を配列したり、織物を積層配置したりした状態で成形型を閉じて液状のマトリックス樹脂を注入して硬化させればよい。しかし、繊維強化複合材が単純な板状ではなく、板材が立体的に折り曲げ形成された形状や筒状や容器状の場合は、成形型内に直接繊維を製品の形状に対応した三次元形状の繊維構造体を配置するのは難しい。そのため、成形型と別の場所で三次元形状のプリフォームを製造した後、そのプリフォームを成形型内に載置した後、成形型を閉じて液状のマトリックス樹脂を注入していた。
【０００７】
立体形状の三次元繊維構造体を製造する際、直接目的の立体形状になるよう繊維を複数層に配列し、各層を厚さ方向糸で結合するのは手間が掛かる。一方、繊維を複数層に板状に配列した後、プレス加工で目的の立体形状に変形させる方法を取れば、直接目的の立体形状に繊維を配列する場合に比べて手間は少ない。しかし、その場合、厚さ方向糸で結合しないと、立体形状の三次元繊維構造体を、マトリックス樹脂を注入する成形型内に配置するために、形状を保持した状態で移動させて配置するのが難しい。板状の状態で厚さ方向糸を挿入した場合は、厚さ方向糸の挿入密度が高くなると、プレスにより目的の形状の三次元繊維構造体に変形させるのが難しくなり、厚さ方向糸の挿入密度を低くすると三次元繊維構造体を取り扱う際に形状保持が難しくなる。
【０００８】
従来、炭素繊維で三次元繊維構造体を形成した後、タッキファイヤー（粘着付与剤）が混合されたゴムあるいはエラストマーからなる処理剤で三次元繊維構造体を処理して、形状保持を行っていた。
【特許文献１】特開平９−２２７６９４号
【特許文献２】特開平７−３３８８４号
【特許文献３】特開平５−１１６１７１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
三次元繊維構造体の形状保持のため、タッキファイヤーを含む処理剤で三次元繊維構造体を処理する場合、最終製品にタッキファイヤーの状態で存在すると製品の強度が低下するため、高温処理で炭化させる必要がある。そのような高温処理を行うと、繊維としてガラス繊維や有機繊維を使用するのが難しくなる。
【００１０】
特許文献１及び特許文献２では、繊維強化材とマトリックス樹脂との界面接着強度を上げるために繊維強化材の表面に硬化したエポキシ樹脂を付着して表面処理することは開示されているが、繊維で立体形状の繊維強化材を形成した場合における形状保持に関しては、何ら配慮されていない。また、特許文献３では無機繊維強化材に含有されるサイジング剤やバインダーがストラクチュラルＲＩＭにおいて通常採用される成形型温度では不安定な成分を有しているため、それを除去するために２５０〜５００℃で無機繊維強化材を熱処理しており、繊維で立体形状の繊維強化材を形成した場合における形状保持に関しては、何ら配慮されていない。
【００１１】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は繊維に含有されているサイジング剤やカップリング剤を利用して、立体形状の三次元繊維構造体から成るプリフォームの形態保持性を容易に確保することができるプリフォームの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、反応性の表面処理剤により表面処理された繊維束を配列して三次元繊維構造体を形成する工程と、前記三次元繊維構造体を加熱処理して前記表面処理剤を熱分解させずに反応硬化させる工程とを備える。この発明では、繊維束としては、長繊維を束ねたストランド（撚り糸）やモノフィラメントが無撚り状態で多数束ねられたトウ（無撚り）が使用される。一般に、これらの繊維束には繊維を集束するサイジング剤が添加されている。繊維束を配列して、立体形状の繊維強化複合材製品に対応した形状の三次元繊維構造体を形成する際に、反応性の表面処理剤により表面処理された繊維束を使用する。サイジング剤にはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル等の反応性のものもある。繊維束に反応性のサイジング剤が添加されている場合はそのまま、反応性のサイジング剤が添加されていない繊維束の場合はサイジング剤あるいはカップリング剤等の反応性の表面処理剤で処理した繊維束を使用して三次元繊維構造体を形成する。その後、三次元繊維構造体を加熱処理して表面処理剤を反応硬化させると、表面処理剤を介して繊維束同士が結合された状態となり、必要な形態保持性を確保することができる。そのため、三次元繊維構造体の形状保持のための厚さ方向糸の密度を高くしたり、タッキファイヤーを含む形態保持剤による処理を行ったりすることなく、容易に三次元繊維構造体の形態保持性を確保することができる。ここで言う三次元繊維構造体とは、繊維同士が結合されていないものを指しており、そのまま金型に入れてマトリックス樹脂を注入した場合には、目ずれや形崩れを起こしてしまうおそれがある。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記表面処理剤はサイジング剤又はカップリング剤である。一般に、繊維強化樹脂の強化材として使用される繊維束には繊維を集束するサイジング剤が添加されている。また、繊維がガラス繊維の場合はカップリング剤が添加されている。そして、一般にその一部が未反応のまま存在する。この発明では、表面処理剤がサイジング剤又はカップリング剤であるため、わざわざ表面処理剤を添加する必要がない。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記繊維束はガラス繊維から成る。この発明では、繊維強化材として広く使用されているガラス繊維を使用した場合に請求項１又は請求項２の作用効果を奏する。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記繊維束は炭素繊維から成る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、繊維に含有されているサイジング剤やカップリング剤を利用して、立体形状の三次元繊維構造体から成るプリフォームの形態保持性を容易に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を繊維強化樹脂の繊維強化材としてのプリフォームに具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
プリフォームの製造方法は、図１に示すように、繊維束を一方向に配列して形成した繊維束層を積層して少なくとも２軸配向の平板状の積層繊維群を形成する連続繊維配列工程Ｓ１と、平板状の積層繊維群にその厚さ方向に結合糸としての厚さ方向糸を挿入する厚さ方向糸挿入工程Ｓ２とを備えている。プリフォームの製造方法は、さらに、積層繊維群を加圧手段を用いて加圧変形させて立体形状の三次元繊維構造体とする加圧変形工程Ｓ３と、三次元繊維構造体を加熱処理する加熱処理工程Ｓ４とを備えている。
【００１７】
繊維束はガラス繊維から成り、繊維束としては、長繊維を束ねたストランド（撚り糸）やモノフィラメントが無撚り状態で多数束ねられたトウが使用される。繊維束は反応性の表面処理剤により表面処理されている。市販のガラス繊維は一般にサイジング剤及びカップリング剤で表面処理されているため、市販のガラス繊維をそのまま使用することができる。表面処理していないガラス繊維の場合は、繊維束の配列に先だって、サイジング剤及びカップリング剤で表面処理を行う。サイジング剤としては、加熱処理により反応硬化するサイジング剤、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂が使用される。カップリング剤としては、シラン系、チタネート系、クロム系等がある。添加量は、例えば、それぞれ０．１〜数％である。
【００１８】
連続繊維配列工程では、図２（ａ）に示すように、規制部材としてのピン１１ａ，１１ｂが所定ピッチで配置された治具１１を使用する。治具１１は矩形の枠状に形成され、ピン１１ａ，１１ｂは着脱可能に立設されている。治具１１上にピン１１ａと係合して折り返すように連続繊維１２ａがピン１１ａ間に配列されて、配列角度０°の繊維層としての０度繊維層１３ａが形成される。また、ピン１１ｂと係合して折り返すように連続繊維１２ｂがピン１１ｂ間に配列されて、配列角度９０°の繊維層としての９０度繊維層１３ｂが形成される。そして、０度繊維層１３ａ及び９０度繊維層１３ｂが交互に複数積層されて、２軸配向となる積層繊維群１３が形成される。図２（ａ）では、連続繊維１２ａ，１２ｂの配列間隔が広く図示されているが、各連続繊維１２ａ，１２ｂは、隣接する連続繊維１２ａ，１２ｂ同士が接触する状態で配列される。
【００１９】
繊維配列工程終了後、積層繊維群１３が治具１１に保持されている状態で厚さ方向糸挿入工程が行われる。厚さ方向糸１４の挿入は、例えば、特開平８−２１８２４９号公報に開示されている方法と同様に行われる。詳述すれば、図２（ｂ）に示すように、積層繊維群１３の厚さ方向に、先端に孔を備え該孔に厚さ方向糸１４を掛止した図示しない挿入針を挿入する。挿入針は厚さ方向糸１４が掛止された孔が積層繊維群１３を貫通するまで前進する。その後、挿入針はわずかに後退される。その結果、厚さ方向糸１４はＵ字状のループを形成した状態となる。
【００２０】
次に図示しない抜け止め糸針が前記Ｕ字状のループ内を通過し、積層繊維群１３の端部まで到達した時点で停止する。この時抜け止め糸１５が抜け止め糸針の先端に掛止される。そして、抜け止め糸針が引き戻され、抜け止め糸１５が厚さ方向糸１４のＵ字状ループ内に挿通された状態になる。その状態で挿入針が引き戻され、厚さ方向糸１４により抜け止め糸１５が締め付けられて積層繊維群１３が結合される。
【００２１】
次に積層繊維群１３を加圧変形させて立体形状の三次元繊維構造体とする加圧変形工程が行われる。加圧変形工程においては、図３に示すように、平板状の積層繊維群１３を複数のクランプ装置１６，１７によって把持するとともに、所定範囲の張力を掛けた状態で、所定形状の押圧面を有する加圧手段としての固定型１８及び可動型１９により押圧して賦形を行う。可動型１９は、上下方向に延びる状態で設けられたシリンダ２０のピストンロッド２０ａの先端に固定されている。固定型１８は、２個に分割され、水平方向に型開き可能に構成されている。
【００２２】
クランプ装置１６，１７は、水平に配置されたエアシリンダ２１と、そのピストンロッド２１ａの先端に設けられた把持部２２とを備えている。クランプ装置１６，１７は、積層繊維群１３の端部を把持部２２で把持した状態において、エアシリンダ２１により積層繊維群１３を所定範囲の張力で引っ張ることが可能に構成されている。図３（ｂ）に示すように、可動型１９は形成すべき三次元繊維構造体２３の外側形状に対応した型面１８ａを有する固定型１８と共同して積層繊維群１３を押圧して三次元繊維構造体２３を形成する。
【００２３】
次に加圧変形工程で得られた三次元繊維構造体２３に加熱処理を施す加熱処理工程が行われる。加熱処理は、真空オーブンあるいは窒素雰囲気で、サイジング剤及びカップリング剤が反応硬化する温度で所定時間行われる。加熱処理により、三次元繊維構造体２３を構成している連続繊維１２ａ，１２ｂに付着されているサイジング剤及びカップリング剤が反応硬化し、それに伴って繊維が剛直化して繊維同士の絡み合いが保持されたり、繊維同士がサイジング剤あるいはカップリング剤を介して接合されたりして、形態保持性が確保されたプリフォーム２４が形成される。
【００２４】
プリフォーム２４は、繊維強化樹脂成形体の繊維強化材として使用される。プリフォーム２４へのマトリックス樹脂の含浸には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用金型（成形金型）内にプリフォーム２４を配置する。そして、成形金型内に樹脂を注入してプリフォーム２４に含浸させるとともに加熱して硬化させた後、成形金型を冷却することにより、繊維強化樹脂成形体が得られる。
【００２５】
実施例として、加熱処理工程の加熱処理を異なる条件で行った。具体的には、真空中において２５０℃で５時間と２４時間の２条件、３００℃で５時間と２４時間の２条件を行った。また、窒素雰囲気中において３００℃で５時間と２４時間の２条件、４５０℃で５時間の１条件を行った。その結果、いずれの加熱処理条件においても同様の形態保持性が得られた。なお、平板状の積層繊維群１３としてＡ４サイズのものを形成した。
【００２６】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）プリフォーム２４の製造方法は、反応性の表面処理剤により表面処理された繊維束を配列して三次元繊維構造体２３を形成する工程と、三次元繊維構造体２３を加熱処理して表面処理剤を反応硬化させる工程とを備える。したがって、三次元繊維構造体２３の形状保持のための厚さ方向糸１４の密度を高くしたり、タッキファイヤーを含む形態保持剤による処理を行ったりすることなく、容易に三次元繊維構造体２３の形態保持性を確保することができる。
【００２７】
（２）繊維束はガラス繊維から成る。したがって、炭素繊維や高強度・高弾性のポリアラミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）等を使用する場合に比較して、繊維束を入手し易く製造コストを低減することができる。
【００２８】
（３）表面処理剤としてサイジング剤及びカップリング剤が使用され、繊維束のメーカーで添加されたサイジング剤及びカップリング剤がそのまま使用されている。したがって、繊維束を配列する前にわざわざ表面処理剤で繊維束を処理する必要はない。
【００２９】
（４）三次元繊維構造体を形成する工程は、繊維束を一方向に配列して形成した繊維束層を積層して少なくとも２軸配向の平板状の積層繊維群１３を形成する工程と、積層繊維群１３を加圧手段としての固定型１８及び可動型１９を用いて加圧変形させて目的とする立体形状の三次元繊維構造体２３とする加圧変形工程とを備えている。したがって、最初から目的とする立体形状の三次元繊維構造体２３となるように繊維束を配列して三次元繊維構造体２３を形成する場合に比較して、三次元繊維構造体２３の形成が容易になる。
【００３０】
（５）平板状の積層繊維群１３を形成する工程は、平板状の積層繊維群１３にその厚さ方向に結合糸としての厚さ方向糸１４を挿入する工程を備えている。したがって、三次元繊維構造体２３を構成する積層繊維群１３に厚さ方向糸１４を挿入する作業が、立体構造に変形された状態で行う場合に比較して簡単になる。
【００３１】
（６）加圧変形工程において平板状の積層繊維群１３を複数のクランプ装置１６，１７によって把持するとともに、所定範囲の張力を掛けた状態で、所定形状の押圧面を有する可動型１９で押圧して賦形を行う。したがって、曲げ加工が無理なく容易に行われる。
【００３２】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  加熱処理条件は前記実施形態の条件に限らず、加熱処理の際に表面処理剤が熱分解をせずに反応硬化する温度及び時間であればよい。
【００３３】
○  表面処理剤は繊維束に最初から添加されているものをそのまま使用するのではなく、サイジング剤及びカップリング剤の少なくとも一方を繊維束に添加してもよい。また、サイジング剤のみが添加されているガラス繊維の場合、カップリング剤を添加した後、連続繊維配列工程を行ってもよい。
【００３４】
○  繊維束を構成する繊維はガラス繊維に限らない。例えば、炭素繊維のような他の無機繊維を使用したり、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維やポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）等の高強度の有機繊維を使用したり、要求物性によってはポリエステル繊維等を使用したりしてもよい。
【００３５】
○  積層繊維群１３は、一方向に配列された連続繊維だけで構成される繊維層として０度繊維層１３ａ及び９０度繊維層１３ｂの２種類に限らず、０度繊維層１３ａ及び９０度繊維層１３ｂに加えて、例えば、＋４５度の配向角及び−４５度の配向角で配列された連続繊維によって形成される繊維層が存在する構成としてもよい。
【００３６】
○  平板状の積層繊維群１３は、一方向に配列された連続繊維だけで構成される場合に限らず、平織物や綾織物等の織物のように複数の方向に配列された連続繊維が相互に結合された構成の織物を積層したり、編み物を積層したりしてもよい。
【００３７】
○  平板状の積層繊維群１３は厚さ方向糸１４を挿入して０度繊維層１３ａや９０度繊維層１３ｂを結合せずに加熱処理による表面処理剤の硬化の作用のみで形態保持を行うようにしてもよい。
【００３８】
○  プリフォーム２４の形状は、平板が複数箇所で屈曲した形状に限らない。例えば、図５に示すように、平板が海苔巻き状に巻かれた形状や図６（ａ），（ｂ）に示すように、絞りプレス加工で平板状の積層繊維群１３の一部に凹部２５が形成された形状としてもよい。図５のものは、繊維糸で仮留めして形状を保持した状態で加熱する。なお、仮留めした状態で金型に入れて樹脂を注入すると、目ずれが生じる可能性があるが、加熱することで繊維同士が結合されるので目ずれが生じない。
【００３９】
○  プリフォームの形状によっては、平板状の積層繊維群１３をプレス加工で変形させて目的の立体形状とする代わりに、最初から立体形状になるように繊維束を配列して積層繊維群１３を形成してもよい。また、筒状のプリフォームを形成する場合、繊維束の配列をドライフィラメントワインディングで行ってもよい。この場合、筒状の積層繊維群１３が分解可能なマンドレルに保持された状態で加熱処理が行われることにより、形態保持性が確保された状態になる。そして、マンドレルを分解して取り外すことにより、筒状のプリフォームが完成する。
【００４０】
○  マトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂に限らず熱可塑性樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として使用する場合は、未重合樹脂液を成形型に注入して加熱硬化させる方法と、熱可塑性ポリマーを加熱溶融させた状態で成形型に注入して冷却により固体にする方法がある。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やビニールエステル系樹脂が使用される。また、熱可塑性樹脂としてはポリアミドやポリカーボネートやポブチレンテレフタレートやポリアセタール等のエンジニアリングプラスチックが使用される。
【００４１】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）前記繊維束はガラス繊維から成り、前記表面処理剤としてサイジング剤及びカップリング剤の両者が使用されている。
【００４２】
（２）前記三次元繊維構造体を形成する工程は、前記繊維束を一方向に配列して形成した繊維束層を積層して少なくとも２軸配向の平板状の積層繊維群を形成する工程と、前記積層繊維群を加圧手段を用いて加圧変形させて前記三次元繊維構造体とする加圧変形工程とを備えている。
【００４３】
（３）前記平板状の積層繊維群を形成する工程は、前記平板状の積層繊維群にその厚さ方向に結合糸を挿入する工程を備えている。
【００４４】
（４）前記加圧変形工程において前記平板状の積層繊維群を複数のクランプ装置によって把持するとともに、所定範囲の張力を掛けた状態で、所定形状の押圧面を有する可動型及び固定型で押圧して賦形を行う。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】プリフォームの製造手順を示すフローチャート。
【図２】（ａ）は治具と連続繊維の配列状態を示す模式平面図、（ｂ）は積層繊維群と厚さ方向糸との関係を示す模式断面図。
【図３】（ａ），（ｂ）は加圧変形工程の状態を示す模式図。
【図４】プリフォームの模式斜視図。
【図５】別の実施形態におけるプリフォームの形状を示す模式斜視図
【図６】（ａ），（ｂ）は別の実施形態におけるプリフォームの加圧変形工程を示す模式斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１２ａ，１２ｂ…繊維束としての連続繊維、２３…三次元繊維構造体、２４…プリフォーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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