(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
経材と、該経糸と直交する緯材と、該経材と互いに逆方向から交差する２方向の斜交材からなる複合材用強化繊維基材において、前記経材、前記緯材、前記斜交材の各材は、該各材の重量に対し３０〜７０重量％の熱可塑性樹脂がほとんど含浸していない状態で、１００〜２０００本の連続フィラメントからなる強化繊維束を被覆している熱可塑性樹脂繊維からなり、かつ、前記各材の交点において前記熱可塑性樹脂により熱融着されていることを特徴とする複合材用強化繊維基材
【請求項２】
前記緯材と前記斜交材が上下に配置された前記経材の間に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の複合材用強化繊維基材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の複合材用強化繊維基材を積層し、加熱加圧した繊維強化熱可塑性樹脂複合材。
【請求項４】
複合材用強化繊維基材の製造において、１００〜２０００本の連続フィラメントからなる強化繊維束をダイスの通糸部から通し、熱可塑性樹脂を該ダイスの端部よりチューブ状に吐出させ、該強化繊維束に、該チューブ状の該熱可塑性樹脂を無圧状態で該ダイスの外で接触させ、熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を得、該熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を経材と、該経糸と直交する緯材と、該経材と互いに逆方向から交差する２方向の斜交材とする組合せ体を得、
該組合せ体を該熱可塑性樹脂被覆強化繊維束の該熱可塑性樹脂が該強化繊維束に含浸しない、かつ、熱融着が起こる程度で加熱圧着し、該熱可塑性樹脂で該各材の交点を熱融着しシート状とすることを特徴とする複合材用強化繊維基材の製造方法。
【請求項５】
前記緯材と前記斜交材が上下に配置された前記経材の間に挟み、組合せ体を得る請求項４に記載の複合材用強化繊維基材の製造方法。
【請求項６】
複合材用強化繊維基材を請求項４または請求項５の製造方法により得、さらに、該複合材用強化繊維基材を積層し加圧加熱成形する繊維強化熱可塑性樹脂複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材を製造するのに用いられる成形材料に関し、特に機械的特性の方向性の少ない複合材を成形するのに好適な成形材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱可塑性樹脂を繊維のマット状物に含浸一体化してなる組成物がスタンパブルシートとして知られている。スタンパブルシートを用いる成形（スタンピング成形）は、加熱溶融したシートを加熱された一対の型の間に供給し加圧して賦形することによりなされる。スタンピング成形は、一般に成形に要する時間が短いので生産性が高く、成形品は金属と異なり錆びず、更に比強度と比弾性率が高いことから軽量化が可能であり、自動車産業や一般産業分野に広く用いられている。従来、スタンパブルシートとして知られているのは、ニードルパンチングした長繊維マットやチョップドストランドマットに樹脂を含浸したものである。これらのスタンパブルシートの成形物は物性上の方向性が少なく、機械的物性は均一であることが特徴であるが、強化繊維の含有率を上げることができず、必ずしも満足できる機械的特性ではない。強化繊維複合材には用途によっては非常に大きい曲げ強度と剛性が要求されるような部材もある。例えば梁のような部材では、従来の均質なスタンパブルシートを用いる場合は、設計上必要な強度を確保するため、全体として肉厚となり軽量化が達成しにくい。
【０００３】
スタンパブルシートの機械的特性が不十分であるということに対し、強化繊維織物と熱可塑性樹脂フィルムとを積層し加熱プレスすることにより成形体を製造することも行われている。織物の場合は強化繊維の含有率を上げることができ、機械的特性を向上させることができる。しかし織物の場合は、強化繊維からなる経糸、緯糸が交互に上下に交差した形で織物を構成しているため、糸の交点における溶融熱可塑性樹脂の含浸が不十分になりやすい。熱可塑性樹脂の場合は溶融時の粘度が熱硬化性樹脂等と比較して高いため、どうしても含浸不良が発生しやすい。更に、織物の場合は、経糸、緯糸が織成されているため糸の自由度が制限され、立体的な形状を有する成形体の場合は、局部的にしわがよったり、折れ重なったりたりすることがあり賦形性の点で問題がある。また、織物の場合は、通常経糸と緯糸で構成されているため、経糸方向、緯糸方向については成形体に強度を付与することができるが斜め方向については、十分な強度を付与することができない。
【０００４】
一方熱可塑性樹脂を繊維状にしたり、粉体にしたりして強化繊維と織物にしたり、強化繊維織物と混合したフレキシブルな成形材料も開発され、市販されているが、いずれも製織工程を経るため生産性が上がらず、コストが高くなるという欠点がある。これらの問題に対処する方法として、繊維状物を一方向に引き揃えた状態で樹脂を含浸して成形し、設計上必要な量を必要部分に用いることが考えられ、これに関して幾つかの提案がなされている。（特開昭６２−１３９０６号、特開昭６２−１９４２９号、特開昭６２−１１７３５号等）しかしながら一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸して用いる場合には数々の問題点がある。そのひとつは、一方向に引き揃えられた繊維のみを用いて樹脂を含浸して一体化する工程においては、繊維の配列を乱さないで樹脂を含浸させるためには、繊維方向に大きい張力を与えて加熱加圧するなどの手段が必要である。
【０００５】
また、樹脂として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂を用いる場合には、含浸した後ある程度粘度を上昇させた、即ちＢ−ステージ化や熟成とよばれる工程によって、一体化した材料を繊維配列を乱さずに取扱えるようにする必要がある。樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、樹脂が含浸されて引き揃えられた繊維配列を成形前の加熱溶融によって乱れないように成形型へ供給することは困難であり、引き揃えられた繊維の相互を前もってゆるくつなぎ合わせておくなどの必要が生じる。また、別に一方向に引き揃えられた繊維とチョップドストランドマットを併用する例においては、互いに順次重ね合わせた層を有するものが公知であるが、これを用いた成形物の機械的物性は、引き揃えられた繊維方向において含有する繊維の量に相当する程度の引張り強度の向上が見られるにすぎない。
【０００６】
更に、一方向に引き揃えられた繊維を含有するスタンパブルシートからなる上下の層と、中間層として方向性のない繊維を含有するスタンパブルシートとを成形時に組み合わせて用いて機械的物性を向上させることも考えられるが、このような方法によれば厚みの少ない成形物を得るには、非常に薄い一方向性のスタンパブルシートが必要であり、その製造上の困難さとともに成形時に加熱溶融した状態で一方向に引き揃えられた繊維を乱さないで、成形型内に供給することも難しく、更に成形時の重ね合わせ作業が繁雑で実用的でない。一方、繊維束をシート状にした形態として組布といわれるものがある。これは繊維束を積層し接着剤などで固定したもので、その積層方向により２軸組布、３軸組布、４軸組布などがある。２軸組布の場合は、経方向の繊維束と緯方向の繊維束が積層接着されて織物状を形成しているが、経方向の繊維束が緯方向の繊維束の上に積層されているだけのため、織物のように製織工程がいらず安価に製造することができ、紙やアルミはくの補強材として、また炭素繊維などの一方向引き揃え材の支持体などとして用途を広げつつある。同様に、４軸組布の場合も経方向、緯方向及び互いに交差する斜め２方向の繊維束が積層接着されてシート状を形成している。４軸組布の製造方法に関しては、特公平３−８０９１１号公報などに開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の成形材料に見られる上記欠点を改良し、その産業分野での応用範囲を広げようとするものであり、製造が容易で、成形時の取扱い性や賦形性が良好で、且つ、成形品の樹脂の含浸が良好で、強化繊維の含有率を高めることができ、しかも強度の方向性が少なく、機械的特性の優れた成形品を可能とする成形材料を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、経材と、該経糸と直交する緯材と、該経材と互いに逆方向から交差する２方向の斜交材からなる複合材用強化繊維基材において、前記経材、前記緯材、前記斜交材の各材は、各材の重量に対し３０〜７０重量％の熱可塑性樹脂がほとんど含浸していない状態で、１００〜２０００本の連続フィラメントからなる強化繊維束を被覆している熱可塑性樹脂繊維からなり、かつ、前記各材の交点において前記熱可塑性樹脂により熱融着されている複合材用強化繊維基材とすることにより前記課題の解決が可能であることを見出だしたものであり、また、前記緯材と前記斜交材が上下に配置された前記経材の間に挟まれている複合材用強化繊維基材とすることにより、更に良好に前記課題の解決が可能であることを見出だしたものである。また、複合材用強化繊維基材の製造において、１００〜２０００本の連続フィラメントからなる強化繊維束をダイスの通糸部から通し、熱可塑性樹脂を該ダイスの端部よりチューブ状に吐出させ、該強化繊維束に、該チューブ状の該熱可塑性樹脂を無圧状態で該ダイスの外で接触させ、熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を得、該熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を経材と、該経糸と直交する緯材と、該経材と互いに逆方向から交差する２方向の斜交材とする組合せ体を得、該組合せ体を該熱可塑性樹脂被覆強化繊維束の該熱可塑性樹脂が該強化繊維束に含浸しない、かつ、熱融着が起こる程度で加熱圧着し、該熱可塑性樹脂で該各材の交点を熱融着し、４軸方向に各材が配置されたシート状とする複合材用強化繊維基材の製造方法により前記課題の解決を図ろうとするものである。また、前記緯材と前記斜交材が上下に配置された前記経材の間に挟み、組合せ体を得、該組合せ体を加熱圧着し該熱可塑性樹脂で該各材の交点を熱融着しシート状とすると更に良好に前記課題の解決が可能であることを見出だしたものである。更に、前記複合材用強化繊維基材を積層し加熱加圧して成形することにより前記課題の解決が図られた繊維強化熱可塑性樹脂複合材の得られることを見出だしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の複合材用強化繊維基材を構成する経材、緯材、斜交材は、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、ポリベンツオキサゾール繊維、金属繊維などの強化繊維を芯材として熱可塑性樹脂により被覆されたものである。使用される強化繊維のフィラメント径は２〜３０μｍの範囲のものが適し、フィラメントの集束本数としては１００〜２００００本の範囲のものが用いられる。強化繊維束の形態としては、単にフィラメントを引き揃えたロービング状のものから、よりのかかった糸の状態のものまでを含み、連続フィラメントであれば繊維束の形態については特に限定されない。しかし、溶融熱可塑性樹脂の含浸性を考慮すると、よりのかかっていないロービング状の繊維束が望ましい。また、強化繊維を被覆する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などを使用することができる。
【００１０】
強化繊維束に熱可塑性樹脂を被覆する方法は、本発明の出願人が出願した特開平８−３３６８７９号によることができる。この被覆方法では、エクストルーダの先端に取付けられたダイス内に溶融樹脂を押出し、更にダイス端部よりチューブ状に吐出させる。一方、強化繊維束は、ダイスの通糸部を通り、チューブ状に押出される溶融樹脂にダイス外で接触し、強化繊維束の速度に合わせて溶融樹脂を延伸しながら被覆される。この方法によると、溶融熱可塑性樹脂が無圧状態で被覆されるため、強化繊維束中に殆ど樹脂が含浸しておらず、熱可塑性樹脂被覆強化繊維束が柔軟性を有し、後加工時の取扱い性が良い。熱可塑性樹脂被覆強化繊維束の樹脂含有率は３０〜７０（ｗｔ）％である。以上の熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を用いて本発明の複合材用強化繊維基材が得られる。
【００１１】
次に複合材用強化繊維基材の製法について図１および図２により説明する。図１および図２において、進行方向の左右に一定のピッチで熱可塑性樹脂被覆強化繊維束を掛けるピン１，１´を配したピン列２，２´を有する循環コンベア３を経方向に進行せしめ、該コンベアの上方に所定の角度αで斜めにこれを横切る２本１組の互いに平行な軌道４，４´、および該軌道にて両端を滑動し得るように支えられた経方向に平行なトラバース具５を設け、軌道に沿って往復せしめる。トラバース具５にはコンベアのピンのピッチと同じピッチで同方向１列に、細管からなる多数のガイド６を配設し、多数本の熱可塑性樹脂被覆強化繊維束７をガイド６を経てコンベア３上に供給する。コンベヤ３のピンが熱可塑性樹脂被覆強化繊維束と同本数進行するごとにトラバース具５を１往復せしめて、その方向転換時に各熱可塑性樹脂被覆強化繊維束をそれぞれ左右のピン１，１´に引っ掛けるようにして、左右のピン列２，２´間に多数本の熱可塑性樹脂被覆強化繊維束の斜交体８を形成せしめるものである。この場合、角度αとコンベア３およびトラバース具５の速度を調節することにより図１における角度βを直角にすることができる。
【００１２】
更に、コンベア３上に軌道４，４´と同様な軌道９，９´を経方向に対し角度１８０−αとなるように設定し、糸ガイド１１を有するトラバース具１０を軌道９，９´間を滑動往復できるようにし、多数本の熱可塑性樹脂被覆強化繊維束１２をガイド１１を経て供給し、ピン列２，２´間に同様の斜交体を形成せしめる。２つの斜交体を重ねることにより緯材と２方向に交差する斜交材との組合せ体１３が形成される。図２は図１の側面図であるが、図１に経材１４，１５が追加されている。図１にて形成された組合せ体１３を上下から挟み込むように熱可塑性樹脂被覆強化繊維束からなる経材１４，１５が供給され、熱ローラ１６の所で経材１４，１５に挟まれた状態で組合せ体１３はピンから外され、熱ローラに密着した状態で加熱されプレスローラ１７を通る時に各材の交点において、強化繊維束を被覆している熱可塑性樹脂が圧着され、経方向、緯方向及び互いに斜交する斜め２方向に熱可塑樹脂被覆強化繊維束が配されたシート状の４軸組布１８が形成される。
【００１３】
組合わせ体１３を熱ローラで加熱し、プレスローラで圧着する条件は、熱可塑性樹脂の種類やその他の条件により異なり、加熱条件や圧力が大きすぎると、この段階で強化繊維束を被覆している熱可塑性樹脂が強化繊維束中に含浸してしまい、出来上がった４軸組布は剛性が大きく、後工程での取扱い性が悪くなる。従って、交点での熱融着が起こる程度の条件が望ましい。図２においては、経材が組合せ体１３の上下から供給されるようになっているが、場合によっては下方からの経材１４のみでも組合せ体１３を熱ローラに密着可能であるため、経材が片面だけの４軸組布も可能である。本願発明の４軸組布において、斜交材の経材に対する角度は、強度の均一性の点からすると４５゜±３゜が望ましいが、用途によっては、２０゜〜７０゜の範囲でも使用可能である。また互いに逆交差する斜交材の経材に対する角度は対称の関係にあることが望ましい本発明の複合材用強化繊維基材は、強化繊維束の連続繊維が経方向、緯方向、斜め方向の４方向に配位されているため繊維強化複合材の強化材として用いた場合、強度の方向性の少ない複合材が得られる。また、各方向の強化繊維束が織物と異なり直線状に配置されているため、補強材としての強度メンバーの効果を十分に発揮できる。本発明の複合材用強化繊維基材の製造は、前記したような方法に限らず、熱可塑性樹脂被覆強化繊維束による３軸組布を作成しておき、これに緯材または経材を積層融着させる方法によっても製造することができる。
【００１４】
更に本発明の４軸組布は、各材が熱可塑性樹脂により被覆されているため、繊維強化複合材を成形する場合に、マトリックス樹脂として新たに樹脂を使用する必要がなく、４軸組布のみで成形することができる。また、強化繊維束の周囲が熱可塑性樹脂で被覆されているため、成形時の溶融樹脂の含浸がほぼ均一に行われ、強化繊維の織物の場合に見られる交点部分での含浸不良も発生しにくい。更に、各材が交点において単に積層融着しているだけのため、成形時の繊維のずれに対する自由度が大きく、複雑な形状の場合でも良好な賦形性を有する。また、本発明の４軸組布は、製織工程を必要としないため、生産速度を上げることができ加工コストの低廉化をはかることもできる。本発明の複合材用強化繊維基材を成形材料として複合材を成形する場合、所定の厚みになるように基材を積層し、加熱加圧して成形する。成形温度は結晶性樹脂の場合は融点以上、好ましくは融点＋３０℃以上の温度条件が好ましい。非晶性樹脂の場合は、Ｔｇ点＋（５０℃〜３００℃）の範囲、好ましくはＴｇ点＋（１００℃〜２００℃）の範囲の温度条件が良い。圧力は５〜５０ｋｇ／ｃｍ２，好ましくは１０〜２０ｋｇ／ｃｍ２の範囲が良い。
【００１５】
【実施例】
＜実施例１＞経材、緯材、斜交材に５７０ｔｅｘのガラスロービングにポリアミド樹脂を被覆し８４０ｔｅｘとしたものを用いた。［日東紡績（株）製；ＲＳ５７ＰＲ４８１，ｔｅｘ番手５７０ｔｅｘ，フィラメント径１４μｍ］図１、図２に示す装置により一本おきに上下に配置された経材の間に緯材、斜交材を挟み込み、熱プレスローラを通すことにより、経材、緯材、斜交材の交点においてポリアミド樹脂が熱融着し、各材間を接着し、複合材用強化繊維基材が得られた。得られた複合材用強化繊維基材の質量は５６３ｇ／ｍ２で、各材の配列本数は経方向が２０本／１０ｃｍ，緯方向が１９本／１０ｃｍ，斜方向が両方向とも１４本／１０ｃｍであった。得られた基材を５枚積層し、２７０℃の温度で加温し、１５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で成形した。その時の板厚みは２ｍｍであった。
【００１６】
＜実施例２＞実施例１における各材の配列本数を経方向が９本／１０ｃｍ，緯方向が９本／１０ｃｍ，斜方向が両方向とも８本／１０ｃｍとした以外は実施例１と同様に行った。得られた複合材用強化繊維基材の質量は２８５ｇ／ｍ２であった。得られた基材を１０枚積層し、実施例１と同じ条件で成形し、厚さ２ｍｍの積層板を作成した。
【００１７】
＜比較例１＞ガラスクロス ＷＥＡ７６２８［日東紡績（株）製；質量２０９ｇ／ｍ２］を１３枚積層し、ガラスクロスの間の層間にポリアミド樹脂フィルム８０μｍを挿入し、実施例と同一条件で成形し厚さ２ｍｍの積層板を得た。
【００１８】
＜積層板の強度＞実施例、比較例のそれぞれの積層板について曲げ強さ、曲げ弾性率を測定した。結果を表１にしめす。測定法はＡＳＴＭ  Ｄ７９０による。
【００１９】
【表１】
0003837848.tif 000002
【００２０】
＜積層板の賦形性＞実施例１の積層板と比較例１の積層板について、予熱して半球状の型に入れ熱プレスを行い、半球状（半径１５ｃｍ）の成形品を作成し、強化材の状態を観察した。実施例１の積層板からの成形品は、成形品にしわが入らず、強化材の４軸組布も経材、緯材、斜交材の部分的なずれや裂けが見られず良好な状態であった。これに対し、比較例１からの積層板による成型品は、部分的にしわが入り、強化材の織物も経糸、緯糸がずれて部分的に経糸だけ、または緯糸だけの部分が見られた。これは織物の場合は、経方向と緯方向には伸びることができず、斜方向にのみ変形可能であるのに対し、本発明の複合材用強化繊維基材の場合は、各材が単に積層されているだけのため各方向に自由にずれることができるためと推定される。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の複合材用強化繊維基材は、連続強化繊維が経、緯、斜め２方向に直線状に配置されているため、複合材の強化材として用いた場合、強度の方向による差の少ない、補強効果の良好な複合材が得られる。また、本発明の複合材用強化繊維基材は、各材を構成する強化繊維束の周囲を熱可塑性樹脂が被覆しているため、この被覆樹脂をマトリックスとすることにより良好な樹脂含浸性が得られ、複合材の強化繊維の含有率を高くすることもできる。この点からも機械的特性の優れた複合材を可能とする。更に、本発明の複合材用強化繊維基材は、柔軟性を有し、賦形性も良好なため複雑な形状の成形体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材用強化繊維基材を製造するための装置の平面図
【図２】本発明の複合材用強化繊維基材を製造するための装置の側面図
【符号の説明】
１，１´．被覆繊維束を掛けるためのピン
２，２´．ピン列
３．      循環コンベア
４，９．  トラバース軌道
５，１０．トラバース具
６，１１．ガイド
７，１２．緯材及び斜交材用の樹脂被覆繊維束
８，１３．斜交体
１４，１５．経材
１６．    加熱ローラ
１７．    プレスローラ
１８．    複合材用強化繊維基材
【図１】
0003837848.tif 000003
【図２】
0003837848.tif 000004