(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トウ状の炭素繊維糸の複数本が互いに並列に配列されてなるシートの複数枚が、それぞれのシートの炭素繊維糸の配列方向が、基準とする方向に対して、異なる角度をもって積層された状態で、ステッチ糸で一体化されたステッチ基材であって、前記トウ状の炭素繊維糸の繊度が、１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの範囲で、前記炭素繊維糸の配列ピッチが、８乃至６０ｍｍの範囲であり、前記炭素繊維糸のそれぞれが糸幅が炭素繊維糸の配列ピッチに拡げられた状態で配列されてなる補強用多軸ステッチ基材。
【請求項２】
前記炭素繊維糸の配列ピッチが、２０乃至６０ｍｍの範囲である請求の範囲第１項に記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項３】
前記炭素繊維糸の糸幅が、元の糸幅の２倍以上である請求の範囲第１または２項に記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項４】
前記炭素繊維糸の糸幅が、元の糸幅の２倍以上、５倍以下である請求の範囲第３項に記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項５】
前記炭素繊維糸のフックドロップ値が、４乃至８０ｃｍの範囲である請求の範囲第１乃至４項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項６】
前記炭素繊維糸にサイジング剤が付与され、該サイジング剤の付着量が、０．２乃至１．５重量％の範囲である請求の範囲第１乃至５項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項７】
前記サイジング剤の付着量が、０．２乃至０．６重量％の範囲である請求の範囲第６項に記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項８】
前記シートの炭素繊維糸の目付が、５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲である請求の範囲第１乃至７項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項９】
前記目付が、１００乃至２００ｇ／ｍ２の範囲である請求の範囲第８項に記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項１０】
前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に０°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなり、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に９０°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなる請求の範囲第１乃至９項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項１１】
前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に＋４５°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなり、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に−４５°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなる請求の範囲第１乃至１０項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項１２】
前記ステッチ基材中に、少なくとも１層の補強繊維からなる不織布が含まれている請求の範囲第１乃至１１項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材。
【請求項１３】
マトリックス樹脂と請求の範囲第１乃至１２項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材とからなる繊維強化プラスチック。
【請求項１４】
繊度が１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの範囲のトウ状の炭素繊維糸の複数本を、配列ピッチが８乃至６０ｍｍの範囲で、一方向に各炭素繊維糸の糸幅を前記配列ピッチに拡げた状態で配列する炭素繊維糸配列工程、配列された炭素繊維糸を用いて、炭素繊維糸の目付が５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲のシートを作成するシート作成工程、作成されたシートの複数枚を、炭素繊維糸の配列方向が、基準とする方向に対して、異なる角度になるように積層するシート積層工程、および、得られたシートの積層体をステッチ糸によりステッチし一体化する一体化工程からなる補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項１５】
前記目付が、１００乃至２００ｇ／ｍ２の範囲である請求の範囲第１４項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項１６】
前記炭素繊維糸配列工程において、前記炭素繊維糸が、走行方向に設けられた複数本の拡幅ローラを通過することにより屈曲を受けつつその糸幅の拡幅を受ける請求の範囲第１４または１５項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項１７】
前記複数本の拡幅ローラの少なくとも１本が、ローラ軸方向に振動する振動ローラであり、その振動によりそこを通過する炭素繊維糸の糸幅を拡げる請求の範囲第１６項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項１８】
前記振動ローラの振動サイクルが、１０乃至１００ヘルツの範囲である請求の範囲第１７項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項１９】
前記シート作成工程が、複数本の拡幅ローラからなる第１の拡幅ローラ装置と複数本の拡幅ローラからなる第２の拡幅ローラ装置とが用いられ、所定の供給配列ピッチで並べられて供給される多数本の炭素繊維糸を、１本ずつ交互に前記第１の拡幅ローラ装置と前記第２の拡幅ローラ装置に供給し、それぞれの拡幅ローラ装置において、前記炭素繊維糸の糸幅を前記供給配列ピッチより広い糸幅に拡げた後、それぞれの拡幅ローラ装置から導出された炭素繊維糸のそれぞれが隣接して位置してなるシートを形成することからなる請求の範囲第１４乃至１８項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２０】
前記炭素繊維糸配列工程と前記シート作成工程との間において、炭素繊維糸に流体を噴射することにより糸幅を拡げてなる請求の範囲第１４乃至１９項のいずれか記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２１】
前記流体が空気である請求の範囲第２０項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２２】
前記空気の噴射が、前記炭素繊維糸の配向方向に並行して少なくとも１列に並べられた複数の噴射孔から行われる請求の範囲第２１項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２３】
前記流体を噴射させる際に、前記配列された炭素繊維糸上にポーラスなガイドを置き、その上から当該流体を噴射する請求の範囲第２０乃至２２項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２４】
前記ポーラスなガイドの下面が、前記配列された炭素繊維糸の上面に接触している請求の範囲第２３項に記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２５】
前記配列後の炭素繊維糸の糸幅が、前記炭素繊維糸の元の糸幅の２倍以上である請求の範囲第１４乃至２４項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２６】
前記配列後の炭素繊維糸の糸幅が、前記炭素繊維糸の元の糸幅の２倍以上、５倍以下である請求の範囲第２５項記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【請求項２７】
前記シートにおける炭素繊維糸の配向角が、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、０°、±４５°、および９０°から選ばれた少なくとも２つの角度である請求の範囲第１４乃至２６項のいずれかに記載の補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、炭素繊維糸からなる補強用多軸ステッチ基材に関し、詳しくは、トウ状の太い炭素繊維糸からなり、厚みの薄い補強用多軸ステッチ基材およびそれを用いた繊維強化プラスチックならびにその製造方法に関する。
背景技術
炭素繊維は、比重が小さくて引張強度が高く、かつ引張弾性率も高く、それを樹脂で固めた炭素繊維強化プラスチックス（以下、ＣＦＲＰと称する）は、比強度および比弾性率が高い材料である。この材料は、宇宙・航空機、スポーツ・レジャー用品の構成材料として多用され、最近では、自動車などの一般産業用途への適用が盛んに検討されている。
従来のＣＦＲＰは、例えば、繊度が２００Ｔｅｘの細い炭素繊維糸からなるたて糸とこ糸で形成された目付が２００〜３００ｇ／ｍ２の織物に、樹脂を含浸させ、プリプレグとし、このプリプレグを複数積層し、オートクレーブ成形することにより製造されている。
しかし、この従来のＣＦＲＰは、細い炭素繊維糸からなるので、ＣＦＲＰにおける炭素繊維の分散は、非常に均一であり、ＣＦＲＰの表面も平滑である。しかし、細い炭素繊維糸は、その生産性が低いために、高価である。それを用いた織物は、その製造において、沢山の本数の炭素繊維糸を必要とするため、生産性も低い。そのため、織物の加工費が高く、この織物を用いて製造される従来のＣＦＲＰは、非常に高価な基材であると云う問題があった。
ＣＦＲＰが等方性を有していると、強度特性等がさらに向上する。そのために、例えば、少なくとも４枚のプリプレグを積層する際、炭素繊維糸が０°／９０°／±４５°の交差角度をもって交差するように積層せしめる疑似等方積層方式が用いられている。この場合、±４５°層については、そこに使用されるプリプレグは、０°／９０°層に用いられる前記プリプレグをバイアスカットして用意される。このカット工程が必要である上、カットによるプリプレグのロスも大きい。それがため、このようにして得られる疑似等方性を有するＣＦＲＰは、高価であると云う問題がある。
この様な高価な基材であっても、大きな軽量化効果が得られる航空機用途などにおいては、その使用が許容されてきた。しかし、最近検討されている自動車用途などの一般産業用途において使用が期待されるＣＦＲＰは、より低価格のものであることが前提となる。すなわち、ＣＦＲＰの一般産業用途への適用においては、ＣＦＲＰが低コストで生産可能であることが必須となる。
このような問題を解決する一手段として、補強繊維が疑似等方積層された状態でステッチ糸で一体化された多軸ステッチ基材の使用が注目されている。この基材は、１枚で疑似等方性を有しているので、上記バイアスカット作業や、積層作業も必要としない点で、低コスト基材として期待されている。
多軸ステッチ基材は、細い補強繊維糸が多数本一方向に揃えられて配列されてなるシートの複数枚が積層されステッチ糸で一体化されて形成されている。これを用いてＣＦＲＰ用基材を作成する場合、各シート１枚における補強繊維の目付が約２００ｇ／ｍ２であることが必要となる。しかし、この多軸ステッチ基材の補強繊維として炭素繊維を用いるとなると、細い炭素繊維糸は製造コストが非常に高く、得られる多軸ステッチ基材は、高価となって、一般産業用途においては、利用できないと云う問題がある。
そこで製造コストの安価な太い炭素繊維糸を用いて、繊維分散が均一な基材を得ようとすると、高目付の基材となり、特殊な用途以外には適用できない。実用的な目付の基材を得ようとすると、多数本配列する炭素繊維糸間の配列ピッチが大きくなるため、炭素繊維糸間に大きな隙間が生じると云う問題に当面する。このような基材でＣＦＲＰを成形すると、成形されたＣＦＲＰにおける前記隙間部分における樹脂量がリッチとなって、ＣＦＲＰに応力が作用した際に、樹脂量がリッチな部分に応力集中が生じて、低い外力で破壊すると云う問題に当面する。さらに、樹脂が硬化する際に生じる収縮により、炭素繊維糸間の隙間の樹脂量がリッチな部分に窪みが生じ、表面平滑なＣＦＲＰが得られないと云う問題に当面する。従って、このようなＣＦＲＰは、信頼性や精度が要求される用途には展開できないのが現状である。
本発明の目的は、上記従来技術の数々の問題点を解消し、トウ状の太い炭素繊維糸を用いても、炭素繊維糸間に隙間が生じない状態で炭素繊維糸が均一に配列された薄い補強用多軸ステッチ基材およびその製造方法を提供することにある。発明の開示
上記目的を達成するための本発明に係る補強用多軸ステッチ基材は、次の通りである。
トウ状の炭素繊維糸の複数本が互いに並列に配列されてなるシートの複数枚が、それぞれのシートの炭素繊維糸の配列方向が、基準とする方向に対して、異なる角度をもって積層された状態で、ステッチ糸で一体化されたステッチ基材であって、前記トウ状の炭素繊維糸の繊度が、１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの範囲であるとともに、前記炭素繊維糸の配列ピッチが、８乃至６０ｍｍの範囲で、前記炭素繊維糸のそれぞれがその糸幅を炭素繊維糸の配列ピッチに拡げられた状態で配列されてなる補強用多軸ステッチ基材。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記炭素繊維糸の配列ピッチが、２０乃至６０ｍｍの範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記炭素繊維糸の糸幅が、元の糸幅の２倍以上であることが好ましい。本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記炭素繊維糸の糸幅が、元の糸幅の２倍以上、５倍以下であることがより好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記炭素繊維糸のフックドロップ値が、４乃至８０ｃｍの範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記炭素繊維糸にサイジング剤が付与され、該サイジング剤の付着量が、０．２乃至１．５重量％の範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記サイジング剤の付着量が、０．２乃至０．６重量％の範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記シートの炭素繊維糸の目付が、５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記目付が、１００乃至２００ｇ／ｍ２の範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に０°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなり、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に９０°の角度に前記炭素繊維糸が配列されていることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に＋４５°の角度に前記炭素繊維糸が配列されてなり、前記複数枚のシートの少なくとも１枚シートは、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、実質的に−４５°の角度に前記炭素繊維糸が配列されていることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材において、前記ステッチ基材中に、少なくとも１層の補強繊維からなる不織布が含まれていることが好ましい。
上記目的を達成するための本発明に係る繊維強化プラスチックは、マトリックス樹脂と本発明の補強用多軸ステッチ基材とからなる。
上記目的を達成するための本発明に係る補強用多軸ステッチ基材の製造方法は、次の通りである。
繊度１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの範囲のトウ状の炭素繊維糸の複数本を、配列ピッチが８乃至６０ｍｍの範囲で、一方向に各炭素繊維糸の糸幅を前記配列ピッチに拡げた状態で配列する炭素繊維糸配列工程、配列された炭素繊維糸を用いて、炭素繊維糸の目付が５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲のシートを作成するシート作成工程、作成されたシートの複数枚を、炭素繊維糸の配列方向が、基準とする方向に対して、異なる角度になるように積層するシート積層工程、および、得られたシートの積層体をステッチ糸によりステッチし一体化する一体化工程からなる補強用多軸ステッチ基材の製造方法。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記目付が、１００乃至２００ｇ／ｍ２の範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記炭素繊維糸配列工程において、前記炭素繊維糸が、走行方向に設けられた複数本の拡幅ローラを通過することにより屈曲を受けつつその糸幅の拡幅を受けることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記複数本の拡幅ローラの少なくとも１本が、ローラ軸方向に振動する振動ローラであり、その振動によりそこを通過する炭素繊維糸の糸幅を拡げることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記振動ローラの振動サイクルが、１０乃至１００ヘルツの範囲であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記シート作成工程が、複数本の拡幅ローラからなる第１の拡幅ローラ装置と複数本の拡幅ローラからなる第２の拡幅ローラ装置とが用いられ、所定の供給配列ピッチで並べられて供給される多数本の炭素繊維糸を、１本ずつ交互に前記第１の拡幅ローラ装置と前記第２の拡幅ローラ装置に供給し、それぞれの拡幅ローラ装置において、前記炭素繊維糸の糸幅を前記供給配列ピッチより広い糸幅に拡げた後、それぞれの拡幅ローラ装置から導出された炭素繊維糸のそれぞれが隣接して位置してなるシートを形成することからなることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記炭素繊維糸配列工程と前記シート作成工程との間において、炭素繊維糸に流体を噴射することにより糸幅を拡げてなることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記流体が空気であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記空気の噴射が、前記炭素繊維糸の配向方向に並行して少なくとも１列に並べられた複数の噴射孔から行われることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記流体を噴射させる際に、前記配列された炭素繊維糸上にポーラスなガイドを置き、その上から当該流体を噴射することが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記ポーラスなガイドの下面が、前記配列された炭素繊維糸の上面に接触していることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記配列後の炭素繊維糸の糸幅が、前記炭素繊維糸の元の糸幅の２倍以上であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記配列後の炭素繊維糸の糸幅が、前記炭素繊維糸の元の糸幅の２倍以上、５倍以下であることが好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法において、前記シートにおける炭素繊維糸の配向角が、前記ステッチ糸の延びる方向に対して、０°、±４５°、および９０°から選ばれた少なくとも２つの角度であることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
本発明の補強用多軸ステッチ基材に使用される炭素繊維糸は、多数本の炭素フィラメントから構成され、そのトータル繊度は、１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの範囲にあり、太いトウ状をなしている。トータル繊度は、１，２００乃至１０，０００Ｔｅｘの範囲にあることがより好ましい。炭素フィラメントの直径は、５乃至１５ミクロンの範囲にあることが好ましい。炭素繊維糸は、２０，０００乃至２００，０００本の炭素フィラメントの集合からなることが好ましい。
このような炭素繊維糸は、太い糸条として製造されるから、その生産性は高く、製造コストは安価である。
炭素繊維糸の繊度が１，２００Ｔｅｘ未満のより細い炭素繊維糸を用いれば、各炭素繊維糸およびそれを構成している各フィラメントが均一に分散した状態に配列されたシートを製造することは、容易であるが、細い炭素繊維糸の製造コストは高いため、シートの製造コストも高くなる。
炭素繊維糸の繊度が１７，０００Ｔｅｘを越えるより太い炭素繊維糸では、その製造コストは、さらに安価になる。しかし、薄いシートを形成するためには、炭素繊維糸の糸幅を大きく拡げる必要があるが、通常の炭素繊維糸では、フィラメント交絡などにより糸幅を拡げることが困難であり、各炭素繊維糸およびそれを構成する各フィラメントが均一に分散した状態に配列されたシートの製造は、実質的に難しい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材に使用される炭素繊維糸は、フィラメント同士の絡み合いが少なく、フィラメントの拡がり性の良い糸であることが好ましい。炭素繊維糸におけるフィラメント同士の絡み度合いは、フックドロップ値で知ることができる。
本発明の補強用多軸ステッチ基材に使用される炭素繊維糸のフックドロップ値（ＦＤ（１５ｇ））は、４乃至８０ｃｍの範囲であることが好ましい。フックドロップ値（ＦＤ（１５ｇ））は、１０乃至８０ｃｍの範囲であることが、フィラメントの拡がり性が増大し、糸幅を大きくすることが容易となるので、より好ましい。フックドロップの測定法は、後述される。
フックドロップ値が、４ｃｍ未満の炭素繊維糸は、強いフィラメント交絡を有し、糸の拡がり性が悪く、薄いシートにするために、炭素繊維糸の配列ピッチを大きくすると、配列された炭素繊維糸間に隙間が生じて、均一なシートとすることが難しい。
フックドロップ値が、８０ｃｍを越える炭素繊維糸は、弱いフィラメント交絡を有し、糸の拡がり性が良く、薄いシートを得るためには好ましいが、糸の集束性不足から、取扱い性が悪くなり、高次加工性が低下する。
フックドロップ値の測定方法：
補強用ステッチ基材を構成する炭素繊維糸２３（第８図）のフックドロップ値（ＦＤ（１５ｇ））は、基材を一体化しているステッチ糸を解き、積層されたシートから、長さ１，０００ｍｍの炭素繊維糸を毛羽が生じないように、かつ、よりが加わることがないように採取する。
採取した炭素繊維糸の一端を、第８図に示す測定台ＭＡの上部クランプ２１に固定する。なお、固定する炭素繊維糸（繊維束）の幅Ｂ（ｍｍ）における繊維束の厚みがフックドロップ値に影響するので、固定する繊維束の幅Ｂ（ｍｍ）と繊維束の繊度Ｔ（Ｔｅｘ）との関係が次式を満足し、繊維束の厚みが均一になるように、炭素繊維糸の一端を上部クランプ２１に固定する。
式：  繊維束の幅Ｂ＝３６×１０−４×Ｔ（単位：ｍｍ）
次に、炭素繊維糸２３の下端に３６ｍｇ／Ｔｅｘの荷重を掛けた状態で、撚りが加わらないように、掴み間隔（Ｌ１）が９５０ｍｍになるよう下部クランプ２２で鉛直方向に固定する。次いで、上下端を固定した繊維束２３の幅方向中央部に、金属フック２４（ワイヤー直径：１ｍｍ、半径５ｍｍ）に綿糸２５で重り２６を取り付けた重錘（フック２４の上端から重り２６の上端までの距離：３０ｍｍ）のその金属フック２４を上部クランプの下端から金属フック２４の上端までの距離（Ｌ２）が５０ｍｍとなるように引っ掛け、手を離して金属フック２４の自由落下距離（上記５０ｍｍの位置から、落下位置における金属フック２４の上端までの距離）を測定する。
金属フック２４および綿糸２５の重量は極力軽くし、金属フック２４、綿糸２５および重り２６の合計重量、すなわち重錘の重量が１５ｇとなるようにしておく。
フックドロップ値（ＦＤ（１５ｇ））は、１枚のシートから採取した繊維束について、１０回、上記の自由落下距離を測定し、ｎ＝３０の平均をもって表したものである。
なお、金属フック２４が下部クランプ２２の位置まで落下してしまう場合もあるが、そのときの自由落下距離は９００ｍｍと見なす。そのためには、下部クランプ２２に金属フック２４は当たるが、綿糸２５や重り２６が引っ掛からないようにしておく必要がある。なお、測定は、基材を温度２５℃、相対湿度６０％の環境下に２４時間放置した後、温度２５℃、相対湿度６０％の環境下で行う。
炭素繊維糸の高次加工性に関しては、糸の集束性と拡がり性とをより良くするため、これら双方の特性の付与が可能なサイジング剤を、糸に付着させておくことが好ましい。
サイジング剤の付着量が０．２乃至１．５重量％の範囲の少量であれば、糸幅の拡がり性を阻害させず、高次加工性を得ることが可能である。サイジング剤の付着量を０．２乃至０．６重量％の範囲とすることで、さらに糸の拡がり性が向上するので、均一性に優れたシートを安定的に得ることができる。
炭素繊維糸としては、強度が３，０００ＭＰａ以上で、弾性率が２００ＧＰａ以上のものを用いることが、高強度、高弾性率のＣＦＲＰを得るために、好ましい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材における、炭素繊維糸が一方向に並行に配列された１枚のシートは、拡がり性を有した炭素繊維糸が、その糸幅を拡げられ、炭素繊維糸間に隙間ない状態で、一定のピッチで、一方向に並行に配列された、目付が５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲の薄いものであることが好ましい。
細い炭素繊維糸を用いた薄く、均一に炭素繊維糸が配列されたシートの作成は、糸幅を拡げることなく高密度に並行に細い炭素繊維糸を配列させることにより容易にできる。しかし、太いトウ状の炭素繊維糸を用いた薄く、均一に炭素繊維糸が配列されたシートの作成は、太いトウ状の炭素繊維糸の横断面がほぼ円形な状態に各フィラメントが集束しているため、これらの糸を単に配列したのみでは、配列された炭素繊維糸間に大きな隙間が生じるため、容易ではない。
基材における炭素繊維糸間に大きな隙間が存在すると、この基材を用いてＣＦＲＰを成形した場合、その隙間は炭素繊維が存在しない樹脂リッチな部分となる。このようなＣＦＲＰは、その樹脂リッチな部分に応力集中がおこり、そこが破壊の基点となって、低い荷重で破損する場合がある。また、樹脂の硬化収縮により、樹脂リッチな部分の表面に窪みができ、表面平滑なＣＦＲＰが得られない。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造に当たり、フックドロップ値が４ｃｍ以上である開繊性の優れた炭素繊維糸を使用すると、炭素繊維糸がボビンから解舒される段階から糸幅が拡がる。必要に応じて、積極的に糸幅を拡げる手段を適用することにより、炭素繊維糸の配列ピッチが大きく設定されていても、隣接する炭素繊維糸のフィラメント同士が隣り合う状態にまで、炭素繊維糸の糸幅を拡げることができ、薄くて均一なシートを得ることができる。
シート状を構成する炭素繊維糸それ自体の糸幅を、複数の炭素繊維糸を配列する際の配列ピッチと同じにすることにより、配列後の炭素繊維糸間を隙間のない状態にすることは可能である。一方、当初の糸幅が配列ピッチ未満の炭素繊維糸を用い、シートの形成に当たり、この糸幅を拡幅させ、隣接する炭素繊維糸の長手方向の側端部同士の隙間をなくすことも可能である。
炭素繊維糸の配列ピッチは、使用する炭素繊維糸の太さと要求されるシートの目付に関係する。本発明の補強用多軸ステッチ基材においては、炭素繊維糸の配列ピッチは、８乃至６０ｍｍの範囲である。配列ピッチは、２０乃至６０ｍｍの範囲が好ましい。この値は、従来の炭素繊維糸が配列されたシートにおける配列ピッチの値に比べると、非常に大きい。
本発明の補強用多軸ステッチ基材においては、炭素繊維糸は、その糸幅が前記配列ピッチと同等に拡げられて、配列されている。この炭素繊維糸の糸幅は、元の糸幅の２倍以上に拡がっていることが好ましく、元の糸幅の２倍以上、５倍以下に拡がっていることがより好ましい。
この状態は、配列された炭素繊維糸間に間隙がなく、厚み斑が実質的にない、均一な形態を有するシートをもたらす。
ここで、前記元の糸幅とは、炭素繊維糸が巻かれたボビン上の糸幅である。この元の糸幅は、通常、４乃至１２ｍｍの範囲である。
このような大きな配列ピッチとすることで、繊度が１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの太い炭素繊維糸の使用が可能となり、かつ、このような炭素繊維糸を用いて薄くて均一なシートを得ることができる。
炭素繊維糸が一方向に配列されたシート１枚当たりの目付は、５０乃至３００ｇ／ｍ２の範囲であることが好ましい。目付が、１００乃至２００ｇ／ｍ２の範囲に選択されることにより、汎用的な基材を安定的に得ることができる。
本発明の補強用多軸ステッチ基材は、実質的に等方性を有することをを特徴とする。例えば、シートの積層構成を、積層されるシート間で、炭素繊維糸の配列方向を、０°、９０°、±４５°の交差角となるように異ならしめ、かつ、鏡面対称となるようにすると、合計８枚のシートによる積層体となる。
この場合、シートの炭素繊維糸の目付が３００ｇ／ｍ２を越えると、基材の炭素繊維糸の目付は２，４００ｇ／ｍ２以上となり、不必要な分厚いＣＦＲＰとなる。このような基材は、成形の際の樹脂含浸が難しい場合がある。
一方、シートの炭素繊維糸の目付が５０ｇ／ｍ２未満であると、薄いＣＦＲＰが得られるが、太い炭素繊維糸でそのような低目付のシートを得ようとしても、炭素繊維糸の拡がりに限度があり、均一なシートを得ることが難しくなる。
ここでは、シートの積層構成として、シート８枚の例で説明したが、シートの積層構成は、これに限定されるものではなく、ＣＦＲＰの要求特性により、積層枚数、炭素繊維糸の配列方向などのシートの積層構成は、適宜選択される。また、基材を構成する一方向シートの目付は、小さい方が、積層の自由度が大きくなり、好ましい。
実施例
第１図において、本発明の補強用多軸ステッチ基材１は、複数本の炭素繊維糸が所定の傾斜角で一方向に配向されたシート２、３、４、５の４枚が積層された積層体がステッチ糸６によりステッチされ一体化されてなる。
シート２の炭素繊維糸は、ステッチ糸６の延びる方向に対して、０°方向に、シート３の炭素繊維糸は、＋４５°方向に、シート４の炭素繊維糸は、−４５°方向に、シート５の炭素繊維糸は、９０°方向に、それぞれ配向されている。基材１は、水平面内において、炭素繊維糸が４方向に配向してなる疑似等方積層体である。
後にこの基材１の製造方法が説明されるが、この基材１は、従来のように、織物材をバイアスカットし、カットされた織物材をいちいち積層することにより基材を形成する工程を経ることなく、製造される。この製造方法によれば、従来の基材形成工程が省略され、各シートの形成に当たり、多数本の一方向に配列された炭素繊維糸がシート形成工程に供給されることにより、積層体の形成がなさるため、各シートに、容易に所望の炭素繊維糸の配列を形成することができる。この基材１により、信頼性の高いＣＦＲＰが得られる。
これらのシート２，３，４，５からなる積層体ＬＳのステッチ糸による一体化は、一定間隔に設けられたステッチ用ニードルを用いて、鎖編あるいは１／１のトリコット編み等をしながらステッチ糸６を積層体ＬＳに貫通させることにより行われる。
ステッチ用ニードルの先端は、積層体ＬＳを貫通させる際に炭素繊維糸の損傷を避けるために、先鋭とされている。
ステッチ糸６の配列間隔とステッチのループの長さは、特に限定されないが、両者が小さい程、一体化が強固となって、基材１の形態安定性が向上する。しかし、余りに強固にすると、基材１のステッチ糸６による締め付けが大きくなり、この基材１を用いてＣＦＲＰを成形の際の基材１への樹脂の含浸力が低下し、含浸時間が長くなったり、あるいは、未含浸部ができやすい問題が生じる。
一方、ステッチ糸６の配列間隔が大きい場合は、基材１の形態が不安定になる。ステッチ糸６の配列間隔、および、ループの長さは、２乃至８ｍｍ程度の範囲が好ましい。
ステッチ糸６は、基材１の形態保持できれば、できるだけ細い繊維であることが、基材１の表面に現れるステッチ糸６による基材１の表面に形成される凹凸が小さくなるので、好ましい。
ステッチ糸６の繊維としては、特に限定されず、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアラミド繊維などを用いることができる。特にポリアラミド繊維は、樹脂との接着性が良く、伸度も大きいためステッチ工程で糸切れを起こすようなことがないので好ましい。また、ステッチ糸６に伸度を持たせる点から、ステッチ糸６は、捲縮加工糸であることがより好ましい。
第２図に、第１図に示した基材１を構成する１枚のシート７（第１図におけるシート２に相当する）が示される。シート７は、一方向に並行して配列されたｎ本の炭素繊維糸８からなる。第２図には、炭素繊維糸８−１、８−２、８−３、８−４、・・・、８−ｎの配列の一部が示される。
各炭素繊維糸８は、多数本のフィラメント８Ｆが収束されたトータル繊度が、１，２００乃至１７，０００Ｔｅｘの太いトウ状をなしたフィラメント束からなっており、炭素繊維糸８間のピッチ（Ｐ）は、８乃至６０ｍｍと大きなピッチで、かつ、隣り合う炭素繊維糸８間に、隙間が存在することなく配列されている。
各炭素繊維糸８は、４乃至８０ｃｍのフックドロップ値を有し、０．２乃至１．５重量％のサイジング剤付着量を有する。この炭素繊維糸８は、非常に開繊性に優れている。
この炭素繊維糸８は、十分な糸幅の拡がり性を有しているので、炭素繊維糸８の配列ピッチ（Ｐ）が大きくても、炭素繊維糸８の糸幅を十分に拡げることができ、炭素繊維糸８が隙間なく均一に配列されたシート７を得ることができる。
シート７の目付は、５０乃至３００ｇ／ｍ２の低目付であることが好ましい。このようなシート７を複数枚、形成される積層体が疑似等方性を有するように、積層しても、積層体は分厚くならない。この積層体は、ＣＦＲＰの汎用性ある補強基材として好ましく用いられる。
第３図に、複数枚のシート７−１、７−２、７−３、７−４、７−５、７−６が、ステッチ糸１０により、ステッチされ、一体化する様子が示される。
第３図において、シート７−１、７−２、７−３、７−４、７−５、７−６が積層されてなるシート積層体１１は、この積層体を貫通し、積層体の厚み方向に上下動するステッチ用のニードル９とニードル９の先端部のフックにより積層体に挿通されるステッチ糸１０により、ステッチされる。ニードル９が下降し、シート積層体１１から抜けると同時に先に形成されたステッチ糸１０のループからも抜けて、シート積層体１１の裏面で、新たなループが形成される。このステッチ動作が繰り返され、シート積層体１１を構成する各シート７−１、７−２、７−３、７−４、７−５、７−６が、ステッチ糸１０で一体化される。
第４図に、炭素繊維糸１５を、ステッチ糸の延びる方向（第４図の矢印Ａで示される方向）に対して９０°の方向に配向させたシート（第１図におけるシート５、あるいは、第３図におけるシート７−１、７−３、７−５）の形成方法が示される。
第４図において、クリール（図示省略）から導出された複数本の炭素繊維糸１５は、矢印Ｃで示される方向に走行せしめられ、案内装置１６に導入される。
案内装置１６は、ステッチ機の幅方向（矢印Ｂで示される方向またはその逆方向）に動く運動と、ステッチ機の両サイドに達した時には、エンドレスのチェーン１２または１３の進行方向（矢印Ａで示される方向）とは逆の方向に動く運動とを繰り返しながら、炭素繊維糸１５を一方向に配向せしめシート５を形成する。
ステッチ機の両サイドにおいては、移動する案内装置１６が両サイドに達した時に、案内装置１６は、チェーン１２、１３の進行方向とは逆の方向に移動して、案内した炭素繊維糸１５を、チェーン１２、または、チェーン１３上に設けられている引っ掛けピン１４に引っ掛ける。
案内装置１６には、数本のローラからなる第１のローラ群と数本のローラからなる第２のローラ群とが設けられており、炭素繊維糸１５は、数本のローラにＳ字型に通され、数本のローラに接触しながら、走行し、この間に、炭素繊維糸１５の糸幅が拡幅される。数本のローラのうち、少なくとも一つのローラを、ローラの軸方向に振動する振動ローラとしておくと、炭素繊維糸１５の糸幅の拡幅作用を一層高めることができ、好ましい。
第４図では、炭素繊維糸１５の配向角が、ステッチ糸６（第１図）の延びる方向に対して、９０°の例を示したが、配向角が０°（第１図のシート２の場合）以外、例えば、配向角が４５°（第１図のシート３あるいは４）のシート形成は、案内装置１６をステッチ糸の延びる方向に対して＋４５°あるいは−４５°方向に往復動させることに行われる。また、それらのシートの積層は、すでに形成されたシートの上から同様の方法で、引っ掛けピン１４に炭素繊維糸１５を引っ掛けることにより行われる。
複数枚のシートが積層された積層体は、ステッチ部に供給されて、ステッチ糸によりステッチされ、一体化される。
配向角が０°方向のシート（第１図のシート２）は、ビームに巻かれた炭素繊維糸を、ステッチ機の上方から０°方向に糸幅を拡げながら一斉にステッチ部に供給することに形成され、形成されたシートの積層体への一体化も行われる。
第５図において、クリール（図示省略）から導かれた複数本の炭素繊維糸１５は、コーム１７で、その幅方向の配列ピッチが一定に揃えられる。コーム１７を通過した炭素繊維糸１５は、１本ずつ交互に、上段の拡幅ローラ１８（ローラ１８−１、１８−２、１８−３）と下段の拡幅ローラ１９（ローラ１９−１、１９−２、１９−３）とに分けられて供給される。
各炭素繊維糸１５は、拡幅ローラ１８−１、１８−２、１８−３、および、拡幅ローラ１９−１、１９−２、１９−３を順次接触して通過する間に、屈曲を受ける。横断面がほぼ円形状態でクリールから供給された炭素繊維糸１５の糸幅は、この屈曲作用により、各ローラを通過する毎に順次拡げられる。
拡幅ローラ１８および拡幅ローラ１９を構成する各ローラの直径は、８乃至４０ｍｍ程度である。ローラの直径は小さいほど、それによる拡幅効果は大きい。
各ローラは、固定式でも回転式でも構わない。固定式では、炭素繊維糸に擦過毛羽が生じ易い問題があるので、回転式の方が好ましい。
拡幅ローラ１８，１９を通すだけでも、開繊性が良好な炭素繊維糸であれば、所望の糸幅に拡げることができるが、炭素繊維糸間に隙間がないシートを安定して製造するためには、例えば、拡幅ローラ１８−２、拡幅ローラ１９−２を、ローラ軸方向に振動する振動ローラとするのが良い。この振動により、糸幅の拡幅作用が促進される。この振動条件として、振動サイクルは、１０乃至１００ヘルツの範囲であることが好ましく、振動振幅は、２乃至２０ｍｍであることが好ましい。炭素繊維糸の走行速度が高い程、振動サイクルを高めるようにするのが好ましい。
以上において、一系列の拡幅ローラが３本のローラからなる場合について説明したが、さらに糸幅の拡がりを期待するために、拡幅ローラを構成するローラの本数や振動ローラの本数を増やしても構わない。
糸幅の拡幅作用により、糸幅は、少なくともコーム１７を通過する際の炭素繊維糸１５の配列ピッチよりも大きく拡げられ、ニップローラ２０に供給される。ニップローラ２０に供給された炭素繊維糸１５は、コーム１７での配列ピッチよりも大きい糸幅に拡げられているので、隣接する炭素繊維糸１５の側端部同士が重なり合った状態で、ニップローラ２０でニップされ、ニップローラ２０を通過した後、シート形成工程へと供給される。
本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法においては、炭素繊維糸の糸幅を拡げることが要件となる。供給する炭素繊維糸の元の糸幅の２倍以上の糸幅に、糸幅を拡げることが好ましい。さらに、元の糸幅の２倍以上、５倍以下に拡げることがより好ましい。
通常、炭素繊維糸は糸幅をできるだけ集束させた状態でボビンに巻かれているので、元の糸幅は非常に狭い。本発明の均一な補強用多軸ステッチ基材を得るためには、糸幅を大きく拡げることが好ましい。なお、元の糸幅は、炭素繊維糸が巻かれているボビン上で測定された糸幅である。
ニップローラ２０で、炭素繊維糸１５がニップされた状態で案内されるので、案内装置１６が左右、前後動しても、炭素繊維糸１５は、薄いシート状の形態を保ちながら、確実に案内され、シート形成が行われ、炭素繊維糸１５間に隙間のないシートが安定して形成される。
以上において、案内装置１６で炭素繊維糸１５を１本ずつ交互に２段に分けて拡幅ローラ１８、１９に供給する例について説明したが、炭素繊維糸１５を２段に分けることなく、１段で拡幅ローラに供給して、糸幅を拡げても良い。
第６図に、この１段の拡幅ローラを用いる場合が示される。複数本炭素繊維糸１５（第６図では、４本が描かれている）が、矢印Ｃで示される方向に、コーム１７を通り、拡幅ローラ装置３１に供給される。拡幅ローラ装置３１は、上側ローラ群３２と下側ローラ群３３から構成される。拡幅ローラ装置３１に供給された炭素繊維糸１５は、上側ローラ群３２のローラと下側ローラ群３３のローラとを交互に順次通過する。この間に、炭素繊維糸１５は、屈曲を受け、その糸幅が拡げられる。拡幅ローラ装置３１を出た炭素繊維糸１５は、シート３４の形態となり、ニップローラ３５にニップされながら、ニップローラ３５の矢印Ｂで示される方向への移動につれて、シート５を形成する。チェーン１２、１３およびピン１４の動きは、第３図に示された装置の場合と同様である。
傾斜角（配向角）が０°の炭素繊維糸の供給方法については、基材幅に必要な炭素繊維糸を一斉にビームから供給するので、ビーム巻きする際に、前記方法で糸幅を拡げながらビーミングしても良いし、糸幅を拡げることなくビーミングされた炭素繊維糸をステッチ機上で前記方法で糸幅拡げを行いながら供給しても良い。
第７図において、トウ状の炭素繊維糸１５が、等ピッチで配列された後に、その糸幅を拡げる方法が説明される。炭素繊維糸１５が＋４５°方向に配向されたシート３上に、トウ状の炭素繊維糸１５を９０°方向に配列し、その積層された炭素繊維糸１５に向かいエア噴射が行われ、糸幅が拡げられる。
第７図において、エアノズル２７は、トウ状の炭素繊維糸１５が、案内装置（図示省略）により、９０°方向に配列された直後に、位置せしめられて。
エアノズル２７の下面には、複数個のエア噴射孔２８が、ステッチ機の幅方向に沿って、１列に等ピッチで設けられている。エアノズル２７のエア供給孔２９から供給された圧縮エアが、噴射孔２８から、炭素繊維糸１５に向けて噴射され、トウ状に集合しているフィラメントが開繊されると同時に炭素繊維糸１５の糸幅が拡げられる。
ノズル孔２８は、炭素繊維糸１５の配向方向に沿って、少なくとも１列に設けられていることが好ましい。このようにすることにより、１本の炭素繊維糸１５がその長手方向において同時に開繊されるので、各フィラメントが乱れることなく、確実に糸幅を拡げることができる。
ノズル孔２８の大きさとピッチは、使用するエア圧力にも関係するが、炭素繊維糸１５の開繊性とエアの消費量との関係から、ノズル孔２８の大きさは、直径で０．１乃至１．０ｍｍの範囲であることが好ましく、ピッチは、５乃至５０ｍｍの範囲であることが好ましい。
配列されたトウ状の炭素繊維糸１５上に、ポーラスなガイド３０を設け、ガイド３０を炭素繊維糸１５に軽く接ししめ、ガイド３０で平面状に炭素繊維糸１５を押さえておくことにより、炭素繊維糸１５にエアが噴射された際に、炭素繊維糸１５が旋回したり、そのフィラメント配向が乱れたりすることを防ぐことができる。
ポーラスなガイド３０は、例えば、細い金属線や合成樹脂製の線材をシート５の幅方向に等間隔で並べて形成しても良いし、ネット状のものであっても良く、噴射されたエアがそこを貫通して炭素繊維糸１５に到達可能な開口を有しているものであれば良い。
ガイド３０は、炭素繊維糸１５に軽く接した状態で、炭素繊維糸１５の糸幅を保持しながら、炭素繊維糸１５がガイド３０の下をすり抜ける必要があるので、ガイド３０表面は、引っ掛かりがなく、滑り易い形態を有し、あるいは、そのような材質で形成されていることが好ましい。
第７図に示すガイド３０は、ホルダー（図示省略）により、その位置が固定されている。
以上の説明は、炭素繊維糸１５が９０°方向に配向したシートを製作する例であるが、９０°方向以外の配向角度で炭素繊維糸１５が配向するシートの製作においても、エアノズル２７により糸幅を拡げることができる。その場合、ノズル孔２８の配列方向は、炭素繊維糸１５の配向方向に一致させることにより、効果的に糸幅を拡げることができる。
エアノズル２７は、トウ状の炭素繊維糸１５が配列を完了した直後の位置になるようように固定されていてもよいが、その位置で、エアノズル２７を揺動させ、同じ炭素繊維糸１５に複数回エア噴射が行われるようにしても良い。そうすることにより、炭素繊維糸１５が一層開繊され、糸幅を安定して拡げることができる。
以上おいては、本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造において、炭素繊維糸からなるシートのみを積層する場合について説明したが、例えば、基材１（第１図）の外表面に、ガラス繊維糸のチョップドストランドマットなどの不織布を積層して、ステッチすることにより、全体を一体化させても良い。
その様な積層構成とすることにより、表面平滑性をより良くした基材となし、これを用いたＣＦＲＰを作成することもできる。
産業上の利用の可能性
本発明の補強用多軸ステッチ基材は、太いトウ状で、かつ、拡がり性の高い炭素繊維糸を用い、その炭素繊維糸の糸幅を少なくとも配列ピッチまで大きく拡げて、炭素繊維糸間に隙間のない状態に形成されたシートの複数枚がステッチ糸で一体化されている。そのため、基材における炭素繊維糸を構成する各フィラメントは、元の炭素繊維糸の繊度が大きいににも拘わらず、基材中に均一に分散して配列されている。この基材とマトリックス樹脂とから、安価で、補強繊維である炭素繊維が均一に分散しているＣＦＲＰが得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の補強用多軸ステッチ基材の一例の一部断面斜視図である。
第２図は、第１図に示した基材を構成するシートの一例の斜視図である。
第３図は、本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法の一例を説明する概略斜視図である。
第４図は、本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法の実施において用いられる複数本の炭素繊維糸の糸幅を拡げながら一方向に並行させて供給しシートを形成する装置の一例の概略斜視図である。
第５図は、第４図に示した装置の概略側面図である。
第６図は、本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法の実施において用いられる複数本の炭素繊維糸の糸幅を拡げながら一方向に並行させて供給しシートを形成する装置の別の例の概略斜視図である。
第７図は、本発明の補強用多軸ステッチ基材の製造方法の実施において用いられる炭素繊維糸を配列させた後、エア噴射により糸幅を拡げるエア噴射装置の一例の斜視図である。
第８図は、フックドロップ値を測定する測定装置の斜視図である。
【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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【図７】
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【図８】
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