JP2003136550A - 炭素繊維基材の製造方法、プリフォームの製造方法および複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、樹脂の含浸が良好で、力学特性に
優れる複合材料を生産性良く得ることを目的とし、具体
的には優れた取扱性と力学特性を有する炭素繊維基材、
およびそれを積層してなるプリフォーム、ならびにプリ
フォームにマトリックス樹脂を含浸してなる複合材料の
製造方法を提供せんとするものである。 【解決手段】 本発明の炭素繊維基材の製造方法は、少
なくとも次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を含む。 （Ａ）引張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギ
ーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した
炭素繊維を用いて布帛を形成する製布工程。 （Ｂ）連続的に第１の樹脂を、布帛１００重量部に対し
て０．１〜１０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接
着する塗布工程。 （Ｃ）第１の樹脂が接着した布帛を、第１の樹脂の融点
未満または第１の樹脂の流動開始温度未満の温度に冷却
する冷却工程。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生産性高くプリフ
ォームおよび複合材料が得られ、優れた取り扱い性を有
する炭素繊維基材の製造方法に関するものである。

【０００２】より詳しくは、樹脂の含浸が良好で、力学
特性（特に衝撃付与後または湿熱処理後の圧縮強度等）
に優れる複合材料を生産性良く得られるだけでなく、基
材のコシ、形態安定性、賦型性、積層する際のタック性
等の取り扱い性に優れた炭素繊維基材、およびそれを積
層してなるプリフォーム、ならびにプリフォームにマト
リックス樹脂を含浸してなる複合材料の製造方法に関す
るものである。

【０００３】

【従来の技術】従来より、炭素繊維を強化繊維とした複
合材料は、優れた力学特性、軽量化等の要求特性を満た
すことから主に航空、宇宙、スポーツ用途に用いられて
きた。これらの代表的な製造方法としては、オートクレ
ーブ成形法が知られている。かかる成形法では、一方向
に引きそろえられた炭素繊維シートに炭素繊維にマトリ
ックス樹脂を予め含浸させたプリプレグを、成形型に積
み重ねてオートクレーブにて加熱・加圧して複合材料を
成形する。ここで用いる基材としてのプリプレグは、そ
れを用いると極めて信頼性の高い複合材料が得られる利
点があるが、コシが強すぎて賦形しにくいこと、製造に
高いコストがかかること、すなわち生産性が低いことに
問題があった。

【０００４】一方、複合材料の生産性に優れる成形法と
しては、例えばレジン・トランスファー・モールディン
グ成形法（ＲＴＭ）等の注入成形が挙げられる。かかる
ＲＴＭでは、マトリックス樹脂が予備含浸されていない
（ドライな）炭素繊維からなる基材を複雑な成形型の中
に配置して、液状（低粘度）のマトリックス樹脂を注入
することにより炭素繊維中にマトリックス樹脂を含浸さ
せてを成形する。

【０００５】ところがこの注入成形は、複合材料の生産
性には優れるが、用いる基材（例えばドライな織物等）
が目ズレし易い（形態不安定）、基材にコシがなさすぎ
るため容易に折れ曲がる、積層した時に基材同士を接着
できない（タック性がない）等の基材の取り扱い性に関
する問題があった。この他にも、マトリックス樹脂が低
粘度である必要があるため、例えばプリプレグに用いら
れる高粘度のものに比べて力学特性が低い等の問題等が
あり、これらの諸問題により炭素繊維本来の特性を十分
発現できずに、複合材料の力学特性を損なう問題を引き
起こしていた。

【０００６】上記問題に対し、例えば米国特許第５,０
７１,７１１号明細書等では、強化繊維布帛に熱可塑ラ
イクな樹脂を布帛に付与し、基材としてのドライな織物
の取り扱い性の向上、注入成形に用いるプリフォーム形
態安定化に関する技術が提案されている。

【０００７】また、James C. SeferisらはJournal of A
dvanced Materials,Volume32,No.3,July 2000,P27-34、
Composites part A,Volume32,2001,P721-729等で、エポ
キシ樹脂とエラストマー粒子またはポリアミド６とを配
合した樹脂を織物上に塗布することにより、注入成形に
よって得られるＣＦＲＰの力学特性（ModeI,IIの層間破
壊靭性等）が向上することを報告している。

【０００８】しかしながら、これらの提案では、基材の
取り扱い性は向上するものの、力学特性は向上しない、
または向上レベルが不十分なものであった。つまり、例
えば航空機の一次構造部材に要求される極めてレベルの
高い力学特性は、織物等に樹脂を塗布するだけで達成で
きず、使用する炭素繊維自体が必要な特性を有していな
い場合には、かかる複合材料もまた必要な力学特性（特
に衝撃付与後の圧縮強度）を発現できないのである。

【０００９】また、以上の提案で記載されている注入成
形では、単に一方向に配列した炭素繊維シートは、ドラ
イな状態では繊維配向を維持したまま取り扱いできない
ため、二方向性織物を用いている。しかしながら、例え
ば航空機の一次構造部材においては、非常に高い力学特
性（特に、衝撃付与後の常温圧縮強度（以下、ＣＡＩと
記す）、湿熱処理後の高温圧縮強度（以下、ＣＨＷと記
す））が要求される。二方向性織物では、炭素繊維を二
方向に織組織するため、それぞれ一方向における強化繊
維量は本質的に半分となること、たて糸とよこ糸とがほ
ぼ同じ繊度であるため、たて糸とよこ糸の交錯点では炭
素繊維の大きな屈曲（クリンプ）が発生することによ
り、一方向に炭素繊維を配列したプリプレグの半分レベ
ルの力学特性しか発現しなかった。

【００１０】すなわち、用いる炭素繊維に必要な特性
や、それを用いる布帛形態が、高い力学特性を発現する
ために特に重要な要因であるにも関わらず、そのことに
関する記載は上記提案では全く開示されておらず、本発
明の課題を満たす炭素繊維基材の製造技術が渇望されて
いた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、樹脂
の含浸が良好で、力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ等）に
優れた複合材料を生産性良く得られないだけでなく、基
材のコシ、形態安定性、賦型性、タック性等の取り扱い
性に優れた炭素繊維基材は得られていなかった。本発明
は、かかる問題点の解決を目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために、次のような手段を採用するものであ
る。すなわち、本発明の炭素繊維基材の製造方法は少な
くとも次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を含むことを特徴とす
る。 （Ａ）引張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギ
ーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した
炭素繊維を用いて布帛を形成する製布工程。 （Ｂ）第１の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１
〜２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着する塗
布工程。 （Ｃ）第１の樹脂が接着した布帛を、第１の樹脂の融点
未満または第１の樹脂の流動開始温度未満の温度に冷却
する冷却工程。

【００１３】更に第２の樹脂を用いる場合、本発明の炭
素繊維基材の製造方法は少なくとも次の（Ｅ）〜（Ｈ）
の工程を含むことを特徴とする。 （Ｅ）引張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギ
ーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した
炭素繊維を使用して布帛を形成する製布工程。 （Ｆ）第１の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１
〜２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着させる
塗布工程。 （Ｇ）第１の樹脂が接着した布帛に、第１の樹脂とは異
なる第２の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１〜
２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着する再塗
布工程。 （Ｈ）第１の樹脂および第２の樹脂が接着した布帛を、
第１の樹脂の融点未満または第１の樹脂の流動開始温度
未満の温度に冷却する冷却工程。

【００１４】また、本発明のプリフォームの製造方法は
少なくとも次の（Ｏ）〜（Ｑ）の工程を含むことを特徴
とする。 （Ｏ）前記炭素繊維基材を少なくとも２層以上積層する
積層工程。 （Ｐ）２層以上積層した炭素繊維基材を第１の樹脂の融
点−５０℃以上または第１の樹脂の流動開始温度−５０
℃以上の温度に加熱および加圧して賦型する賦型工程。 （Ｑ）賦型した炭素繊維基材を第１の樹脂の融点未満ま
たは第１の樹脂の流動開始温度未満の温度に冷却して炭
素繊維基材同士を接着する基材接着工程。

【００１５】また、本発明の複合材料の製造方法は少な
くとも次の（Ｒ）〜（Ｔ）の工程を含むことを特徴とす
る。 （Ｒ）前記プリフォームを成形型に配置してキャビティ
を形成するセット工程。（Ｓ）液体化している第３の樹
脂を、キャビティ内に注入してプリフォームに第３の樹
脂を含浸させる注入工程。 （Ｔ）第３の樹脂を固化させる固化工程。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明を図を参照しながら具体的
に説明する。

【００１７】図１は本発明の炭素繊維基材の製造方法の
一態様を説明する概略図である。また、図２は本発明の
炭素繊維基材の製造方法の別の一態様を説明する概略図
である。本発明の炭素繊維基材の製造方法は、少なくと
も次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を含む製造方法、または、
少なくとも次の（Ｅ）〜（Ｈ）の工程を含む製造方法で
ある。

【００１８】（Ａ）または（Ｅ）の製布工程（図中１） 製布する布帛が二方向性織物の場合は引張弾性率が２１
０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上
であり、かつ実質的に連続した炭素繊維束のたて糸１１
とよこ糸１２とを用い、また、一方向性織物の場合は引
張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギーが４０
ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した炭素繊維
束のたて糸１１と、ガラス繊維、有機繊維等のヤーンや
加工糸等の補助よこ糸（図示せず）とを用い、製織治具
として綜絖１３、筬１４、レピア１５を用いて製織し、
織物を形成する。ここで、実質的に連続した炭素繊維束
とは、炭素繊維束が連続したものであることを指し、炭
素繊維束内に含まれる１０重量％未満の単糸が切れてい
るものも含まれる。また、炭素繊維基材を製造する際、
その一連の製造中は炭素繊維が連続的に供給できるよう
に繊維の先端同士を結束や交絡したものを含むことがで
きる。

【００１９】本発明で使用する炭素繊維は、引張弾性率
が２１０ＧＰａ以上である。好ましくは２５０を超え６
００ＧＰａ未満、更に好ましくは２８０を超え５００Ｇ
Ｐａ未満、とりわけ２９０を超え４００ＧＰａ未満であ
るのが好ましい。引張弾性率が２１０ＧＰａ未満である
と、複合材料の力学特性が充分でなく、炭素繊維を用い
る意味が希薄になってしまうため好ましくない。ここ
で、引張弾性率は、ＪＩＳ Ｒ７６０１に準拠して測定
される値を指し、単位はＧＰａである。

【００２０】また、本発明で使用する炭素繊維は、破壊
歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上である。より好まし
くは４５ＭＪ／ｍ³ 以上、更に好ましくは５３ＭＪ／ｍ
³ 以上、とりわけ５６ＭＪ／ｍ³ 以上であるのが好まし
い。なお、破壊歪エネルギーは高ければ高いほどよく、
その上限はないが、８０ＭＪ／ｍ³ 以下であるのが一般
的である。破壊歪エネルギーが４０ＭＪ／ｍ³ 未満であ
ると、衝撃を受けた場合に炭素繊維が破断することがあ
り、特に一方向性布帛の疑似等方積層構成を有する複合
材料においてＣＡＩに劣り、力学特性に優れる複合材料
を得ることができないため好ましくない。つまり、高い
破壊歪エネルギーを有する炭素繊維である場合に限り、
衝撃を受けた場合に炭素繊維が容易には破断せずに連続
繊維の状態を保てるために、優れた力学特性（特にＣＡ
Ｉ）を達成できるのである。なお、かかるＣＡＩは、輸
送機器（特に航空機）の構造（特に一次構造）部材とし
て用いる場合に非常に重視される力学特性であり、複合
材料の用途が前記用途である場合はその必要性は一層高
いと言える。なお、破壊歪エネルギー（Ｗ）は、ＪＩＳ
Ｒ７６０１に準拠して測定された引張強度（σ）、引
張弾性率（Ｅ）としたとき、（Ｗ）＝（σ）²／２×
（Ｅ）で定義される値を指し、単位はＭＪ／ｍ³（１０⁶
×Ｊ／ｍ³）である。

【００２１】本発明において、炭素繊維を用いて製布す
る布帛としては特に限定されないが、例えば二次元の一
方向性、二方向性、あるいはそれ以上の方向性を有する
織物、三次元の多方向性織物、編物、多軸挿入布帛、一
方向に引きそろえられた炭素繊維シートをバインダーや
融着性不織布、ステッチ糸等で形態安定化したもの（一
方向性シート）、一方向性シートを二方向以上積層した
多軸シート等が挙げられ、それらはステッチ糸や結節糸
等により接合され複数の布帛が一体化しているものでも
よい。特に輸送機器（特に航空機）の構造（特に一次構
造）部材として用いる場合には、非常に高い力学特性
（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）が要求されるが、二方向性織物
では炭素繊維を二方向に織組織すること、たて糸束とよ
こ糸束との交錯点での炭素繊維のクリンプが大きくなる
ことにより、要求に耐え得る力学特性が発現しにくい場
合がある。つまり、かかる問題が確実に解消できる点
で、本発明に使用する布帛としては、一方向性の布帛、
すなわち一方向性織物、一方向性シートまたはそれらの
複数が一体化されたものが好ましい。更に、マトリック
ス樹脂の含浸の面を考慮すると、ストランド間に補助よ
こ糸束の交絡による極めて小さいクリンプが形成されて
いる一方向性織物がとりわけ好ましい。かかる小さいク
リンプはマトリックス樹脂の含浸流路となり、格段に含
浸性を向上させる効果を奏し、本発明における最適な布
帛といえる。

【００２２】かかる一方向性織物をより詳しく説明す
る。図６は、本発明で好ましく用いられる一方向性織物
の一態様を説明する斜視図である。一方向性織物６Ａ
は、一方向に互いに平行に配列された炭素繊維のたて糸
束１１と、それと直交する補助よこ糸束１２’とが、互
いに交錯して平織組織をなしたものである。

【００２３】かかる一方向性織物６Ａにおいて、たて糸
束１１は５千本〜５０千本（より好ましくは１０千本〜
２５千本）の範囲内のフィラメントを有するものが好ま
しい。別の視点からは、たて糸束１１は３００〜５００
０ｔｅｘの範囲内であるものが好ましい。かかる範囲よ
り小さいと、織物での交錯点が多すぎ、クリンプが大き
くなるだけでなくその数も多くなり、力学特性に劣る場
合がある。一方、かかる範囲より大きいと、織物での交
錯点が少なすぎ、形態安定性に劣る場合がある。

【００２４】また、補助よこ糸束１２’を構成する補助
繊維は、たて糸束１１と補助よこ糸束１２’との交錯点
でのたて糸束１１の屈曲（クリンプ）を小さくして本発
明の炭素繊維の特性を最大限に発現させるために、たて
糸束１１に用いる炭素繊維の繊度の１／５以下、より好
ましくは１／１０以下であるのが好ましい。その具体的
な繊度は、用いる炭素繊維および補助繊維の種類、織物
目付により異なるが、例えば炭素繊維として８００ｔｅ
ｘのものを用いて２００ｇ／ｍ²の織物とする場合、補
助繊維の好ましい繊度は１〜１００ｔｅｘ、より好まし
くは１０〜５０ｔｅｘの範囲内である。かかる補助よこ
糸束１２’の織密度は、布帛の形態安定、クリンプの影
響の最小限化のため、０．３〜６本／ｃｍの範囲内であ
るのが好ましく、より好ましくは１〜４本／ｃｍの範囲
内である。

【００２５】また、補助繊維の種類は任意のものが使用
できるが、布帛密度の安定性の面から成形時の加熱等に
より収縮しにくいものが好ましく、例えば炭素繊維やガ
ラス繊維や、アラミド、ポリアミド（特にＰＯＹ：高速
紡糸による半延伸糸）、ＰＢＯ、ＰＶＡ、ＰＥ等の有機
繊維等を単独または組み合わせて使用することができ、
これらは合糸加工、撚加工、ウーリ加工、倦縮加工等の
二次加工がされたものでもよい。更に、たて糸束１１や
補助よこ糸束１２’は、織組織を固定するために、接着
機能を有する成分と組み合わせて用いることもできる。

【００２６】かかる接着機能を有する成分としては、例
えば、ナイロンやポリエステル等の熱可塑性樹脂、エポ
キシや不飽和ポリエステルやフェノール等の熱硬化性樹
脂等を用いることができる。また、その形態としては繊
維状、粒子状、エマルジョン状、ディスパージョン状等
の任意の形態でたて糸束や補助よこ糸束と組み合わせる
ことができる。中でも繊維状のものを補助繊維と撚加工
やカバーリング加工をして、補助よこ糸束として用いる
と、織組織の固定効果が高いため好ましい。

【００２７】本発明に好ましく用いられる一方向性織物
としては、図６に示した平織組織以外にも綾織組織や朱
子織組織も含まれるが、図７に示すノンクリンプ構造も
含まれる。図７は、本発明で好ましく用いられる一方向
性織物の別の一態様を説明する斜視図である。一方向性
織物７Ａは、炭素繊維のたて糸束１１と平行に配列され
た補助たて糸束１１’と、それと直交する補助よこ糸束
１２’群とが、互いに交錯してたて糸束１１が一体に保
持された構造（ノンクリンプ構造）の織物である。かか
るノンクリンプ構造によると、平織組織よりも更にクリ
ンプを小さくできるため、本発明の炭素繊維の特性を更
に高く発現させることができる。また、樹脂含浸の面か
らも、補助繊維（特に補助たて糸）の存在により含浸流
路は確保されており、非常に優れた含浸性を発現する。

【００２８】本発明では第１の樹脂または第２の樹脂を
布帛に塗布するのであるが、それらの脱落を最小限に抑
えるため、布帛のカバーファクターは９０％以上である
のが好ましい。より好ましくは９５％以上、更に好まし
くは９８％以上である。かかるカバーファクターとは、
平面状にした布帛をその垂線方向から見て、２００ｍｍ
×２００ｍｍの単位面積における布帛中の炭素繊維（補
助糸やステッチ糸等を含む）が存在する（カバーできて
いない）閉口部分の百分率を指し、カバーファクター
（％）＝閉口部分の合計面積（ｍｍ²）／４００により
算出される。かかる閉口部分に関しては、ＣＣＤカメラ
やスキャナー等により光学的に取り込まれた画像を元に
画像処理を行い、合計面積を算出することができる。

【００２９】かかるカバーファクターを有する布帛を製
布するためには、布帛を形成する前または後に揺動ロー
ラー（必要に応じて更にニップローラーを併用すること
もできる）や圧縮空気の吹きつけ等により、炭素繊維を
開繊、拡幅するのが好ましい。また、予め開繊、拡幅し
た炭素繊維を用いて製布することもできる。かかる方法
は、炭素繊維目付が３００ｇ／ｍ²以下である場合には
とりわけ有効な製布方法であるといえる。なお、炭素繊
維目付に特に下限値はないが、５０ｇ／ｍ²以上である
のが一般的である。

【００３０】なお、本発明で用いられる布帛は、プリフ
ォームへの後述の第３の樹脂の含浸の点から、その炭素
繊維目付を５０〜６００ｇ／ｍ² の範囲に製布するのが
好ましい。より好ましくは１００〜３５０ｇ／ｍ² 、更
に好ましくは１５０〜３００ｇ／ｍ²の範囲である。

【００３１】（Ｂ）または（Ｆ）塗布工程（図中２、
２’） 第１の樹脂２ａを布帛１００重量部に対して０．１〜２
０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着させる。

【００３２】第１の樹脂２ａまたは第２の樹脂２’ａの
塗布に際し、粒子状のものを用いると、樹脂の塗布量の
制御が容易であるだけでなく、塗布装置も簡易なものに
できるため好ましい。特に、粒子状の第１の樹脂２ａま
たは粒子状の第２の樹脂２’ａの計量を、ロール２ｂと
ドクターブレード２ｃとを用いて行うと、安定した計量
が可能となるだけでなく、安価に設備化が可能であるた
め好ましい。また、ロールとしては、メッシュやドット
等のパターンが施してある（彫刻されている）ロールを
用いると更に計量を更に厳密に行うことができ好まし
い。

【００３３】また、粒子状の第１の樹脂２ａまたは粒子
状の第２の樹脂２’ａを自然落下させて布帛に塗布する
場合、振動ネット２ｄを通過させると、布帛上で樹脂の
より均一な分散が可能となるため好ましい。

【００３４】図３は、本発明の炭素繊維基材の製造方法
の別の一態様を説明する概略図である。この態様におい
ては、塗布工程２において、粒子状の第１の樹脂２ａ
は、計量機２ｅにて計量し、スプレーヘッド２ｇをそれ
らを通過させる際に帯電させたり、強制的にコロナ放電
にて帯電させたりして、圧縮気体２ｆ（好ましくはドラ
イ圧縮気体）で均一分散させながら塗布している。この
方法によると、より一層樹脂の塗布量の制御が容易にな
り、かつ樹脂の一層均一な塗布が可能となる。なお、第
２の樹脂を使用する場合にも、ここに記載した方法が好
ましく使用される（図３に図示せず）。

【００３５】粒子状の第１の樹脂を用いた場合、樹脂を
均一に布帛表面に分散させるために、その平均粒子直径
が１〜２５０μｍの範囲、より好ましくは１〜１５０μ
ｍ、更に好ましくは３〜１００μｍであるのが好まし
い。１μｍ未満であると布帛を構成する炭素繊維の間に
入り込むものが多くなり、布帛の表面に接着させる粒子
量がばらつくことがある。また、２５０μｍを超える
と、粒子直径が大きくなるので、所定の粒子散布量に対
して、接着させる粒子の数が少なくなり、樹脂の均一な
分散が困難な場合がある。

【００３６】図４は、本発明の炭素繊維基材の製造方法
の別の一態様を説明する概略図である。この態様におい
ては、第１の樹脂２ａが溶融した状態のものを用いて塗
布している。この方法によると、第１の樹脂の形態に制
限を受けないため、上述のように第１の樹脂を粒子にす
る加工を省略することができる。なお、第２の樹脂を使
用する場合にも、ここに記載した方法が好ましく使用さ
れる（図４に図示せず）。

【００３７】本発明では、上記態様以外にも、第１の樹
脂または第２の樹脂が水または溶媒中に分散または溶解
したものを用いて塗布することもできる。かかる方法に
よれば、溶融した状態の樹脂を用いる場合と同様に、樹
脂形態の制限を受けないだけでなく、溶融させるための
加熱装置が不要となるため、装置をより簡易化すること
ができる利点がある。また、粒子状の樹脂を用いる場合
でも、粒子を水または溶媒中に分散させたものを塗布す
ることにより、粒子の飛散を防止するといった効果を奏
する利点も有する。

【００３８】本発明において、第１の樹脂２ａ、第２の
樹脂２’ａは、布帛の片面に塗布されていてもよいし、
両面に塗布されていてもよい。片面に塗布する場合は塗
布工程を簡略にできる点が好ましい。また、両面に塗布
する場合は塗布工程が大掛かりになるものの、布帛の表
裏の使い分けが必要ない点において好ましい。

【００３９】本発明において、第１の樹脂２ａまたは第
２の樹脂２’ａを布帛表面により強固に接着させるため
には、塗布された第１の樹脂２ａまたは第２の樹脂２’
ａを接着する際に、第１の樹脂の融点以上または第１の
樹脂の流動開始温度以上の温度に加熱して、少なくとも
第１の樹脂と布帛とを接着するのが好ましい。

【００４０】ここで、第１の樹脂の融点以上または第１
の樹脂の流動開始温度以上の温度に加熱する装置は特に
限定されないが、遠赤外線ヒーター２２および／または
ホットローラー（図示せず）であると製布速度の変化に
容易に対応して必要な温度に制御できるため好ましい。

【００４１】なお、図１〜４では、（Ａ）や（Ｅ）の製
布工程１と、（Ｂ）や（Ｆ）の塗布工程２または（Ｇ）
の再塗布工程２’とが連続的に（オンラインで）行われ
ている。かかる方法により、布帛として形態安定性に劣
るものであっても、第１の樹脂を用いることにより形態
安定化させることが可能となり、高い力学特性を発現し
ながら、取り扱い性に優れた炭素繊維基材を得ることが
できる。以下、具体例を挙げてより詳しく説明する。

【００４２】一方向性織物を例に挙げると、たて糸と補
助よこ糸との交錯により生じる炭素繊維の屈曲（クリン
プ）は力学特性に悪影響を及ぼす。このクリンプを最小
限にするために、例えば、補助よこ糸間隔を１０ｍｍ以
上に拡げ、３０ｔｅｘ以下の細いガラス繊維ヤーンの補
助よこ糸を使用すると、形態安定性に劣りそれ単独では
取り扱いができない。しかしながら、製布工程１から連
続的に塗布工程２を経て、第１の樹脂を塗布、接着する
ことにより形態安定性が飛躍的に向上し、取り扱いが可
能な炭素繊維基材を得ることができる利点があるのであ
る。

【００４３】この場合、加工速度は０．５〜５ｍ／分で
あることが好ましい。より好ましくは１〜４ｍ／分であ
る。一方向性織物を例に挙げると、製布工程１での加工
速度は一般的に０．３〜０．４ｍ／分程度と遅い。しか
し、塗布工程２ではそれよりも早い速度で処理すること
が可能である。このミスマッチを解消し、炭素繊維基材
としての加工速度（生産性）を向上させるために、高速
織機（例えば、高速両レピア織機、ウォータージェット
織機、エアジェット織機、ニードル織機など）を用い、
製布工程で加工速度を０．５ｍ／分以上にすることが好
ましいのである。一方、加工速度が５ｍ／分を超える
と、製布時の炭素繊維からの毛羽が増え過ぎる場合があ
る。

【００４４】本発明で使用する第１の樹脂は、布帛１０
０重量部に対して０．１〜２０重量部の範囲で布帛の表
面に塗布して接着させる。より好ましくは０．１〜１０
重量部、更に好ましくは１〜９重量部、特に好ましくは
３〜６重量部の範囲である。０．１重量部未満では、炭
素繊維基材を積層してプリフォームを得る際の基材同士
のタック性（粘着性）を充分付与できず、その取り扱い
性に劣る。これは、炭素繊維基材の表面上に接着してい
る第１の樹脂により、タック性が発現するためである。
また、２０重量部を超えると、力学特性特にＣＨＷに優
れる複合材料が得られにくいだけでなく、複合材料を得
る際に炭素繊維基材またはプリフォームへのマトリック
ス樹脂である後述の第３の樹脂の含浸を逆に妨げる場合
がある。

【００４５】第１の樹脂が上記範囲内で接着されている
と、隣接する炭素繊維を拘束することにより、布帛に適
度なコシが生じ、取り扱い性を向上させるだけでなく、
布帛の目ズレを防止する等の形態安定効果をも発現でき
る。更に、第１の樹脂が複合材料の布帛間のクラックス
トッパーになること等により、衝撃を受けた時に布帛間
の損傷を抑制でき、優れた力学特性（特にＣＡＩ）を達
成できるという効果（層間強化効果）をも発現できる。
また、上記効果以外にも、第１の樹脂は、その存在がス
ペーサーとなって後述の第３の樹脂の流路を確保できる
ことになり、特に注入成形に供した際には、含浸が容易
になるだけでなく、含浸する速度も速くなり複合材料の
生産性にも優れるといった予想外の効果（スペーサー効
果）をも発現する。

【００４６】本発明に使用する第１の樹脂の融点または
流動開始温度は、炭素繊維基材を積層する際のタック発
現のための加工温度の面から、４０〜１５０℃の範囲で
あるのが好ましい。より好ましくは５０〜１４０℃、更
に好ましくは６０〜１２０℃の範囲である。ここで融点
とは、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて計測される樹
脂の溶解温度を指し、ＤＳＣにて融点を示す樹脂はその
融点を基準とする。また、ＤＳＣにて融点を示さない樹
脂については、粘弾性測定（島津製フローテスターＣＦ
Ｔ５００Ｄ、昇温速度１．５℃／分）から測定される流
動開始温度を基準とする。

【００４７】本発明で使用する第１の樹脂は、炭素繊維
強化基材の取り扱い性を向上させ、それを用いて得られ
る複合材料の力学特性を向上させる樹脂であればとくに
限定されず、熱硬化性樹脂および／または熱可塑性樹脂
を、後述のマトリックス樹脂として用いる第３の樹脂と
の相溶性や接着性に優れるものを適宜選択して使用する
ことができる。なお、第１の樹脂として、複数の樹脂を
組み合わせ、粒子状のものを用いる場合、複数の樹脂を
予め混合または相溶化したものを粒子化して用いてもよ
いし、各々が既に粒子状の複数の樹脂を混合して用いて
もよい。

【００４８】熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキ
シ、フェノール（レゾール型）、ポリベンゾイミダゾー
ル、ベンゾオキサジン、シアネートエステル、不飽和ポ
リエステル、ビニルエステル、ユリア、メラミン、ビス
マレイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレ
タン等や、これらの共重合体、変性体および２種類以上
ブレンドした樹脂等を使用することができる。更に、エ
ラストマーやゴム成分、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を
添加した樹脂等を使用することもできる。

【００４９】熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエス
テル、ポリオレフィン、スチレン系樹脂、ポリオキシメ
チレン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリウレア、ポリ
ジシクロペンタジエン、ポリカーボネート、ポリメチル
メタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンスル
フィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミ
ド、ポリスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルスル
ホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリケトン、ポ
リエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
エーテルケトン、ポリアリレート、ポリエーテルニトリ
ル、フェノール（ノボラック型など）、フェノキシ樹
脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、
更に熱可塑エラストマー、ＲＩＭ用樹脂（例えばポリア
ミド６、ポリアミド１２、ポリウレタン、ポリウレア、
ポリジシクロペンタジエンを形成する触媒等を含むも
の）、環状オリゴマー（ポリカーボネート、ポリブチレ
ンテレフタレート等を形成する触媒等を含むもの）等
や、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレ
ンドした樹脂等を使用することができる。また、更にこ
れらの樹脂にエラストマーもしくはゴム成分を添加した
樹脂であってもよい。

【００５０】第１の樹脂として本発明の課題を最大限に
発現する好ましい例としては、熱硬化性樹脂としてエポ
キシを使用し、熱可塑性樹脂としてポリエーテルスルホ
ン、ポリフェニレンエーテルおよびポリアミドから選ば
れる少なくとも１種を使用し、その両者を混合（好まし
くは相溶化）して、流動開始温度を１８０℃以下または
ガラス転移温度を１００℃以下にしたものが挙げられ
る。かかる第１の樹脂は、後述の第３の樹脂としてエポ
キシ樹脂および硬化剤の組成物（特に液状物）を用いた
場合に著しく優れた効果を発現する。

【００５１】（Ｉ）加圧工程（図中２”） 図５は、本発明の炭素繊維基材の製造方法の別の一態様
を説明する概略図である。この態様においては、塗布工
程２の後に、塗布された第１の樹脂２ａと布帛とを加圧
ロール２３にて加圧する（Ｉ）の加圧工程２”を有して
いる。第２の樹脂を使用する場合は、再塗布工程（図示
せず）の後に加圧することもできる。

【００５２】かかる加圧により、布帛上の第１の樹脂ま
たは第２の樹脂の凸凹を小さくすることができる。かか
る凸凹は、炭素繊維基材を積層して複合材料を得る際、
隣り合う炭素繊維基材に転写して炭素繊維を屈曲させ、
特にＣＨＷ等の圧縮特性を損なう原因となる場合があ
る。かかる観点から、布帛上の第１の樹脂と第２の樹脂
とを合わせた樹脂部分の最大厚みが１５０μｍ以下にな
るように加圧するのが好ましい。より好ましくは１００
μｍ以下、更に好ましくは６０μｍ以下である。別の視
点からは、炭素繊維基材の厚みＴｒが、第１の樹脂が接
着してない布帛単独での厚みＴｏよりも１５０μｍ（よ
り好ましくは１００μｍ、更に好ましくは６０μｍ）を
超えて大きくならない範囲で加圧するのが好ましい。か
かる加圧は第１の樹脂または第２の樹脂の凸凹を小さく
し、炭素繊維基材としての厚みを小さくするだけでな
く、嵩張った炭素繊維束を集束し、布帛自体の厚みを小
さくする予想外の効果を発現する。かかる効果により、
複合材料にした際の炭素繊維体積率Ｖｆをより高くし、
軽量化効果に優れる複合材料を得ることができる。

【００５３】但し、加圧し過ぎると、布帛表面に第１の
樹脂が実質的に残存できず、上述の炭素繊維基材のタッ
ク性に関する効果を損うだけでなく、後述の第３の樹脂
の含浸性をも損なう場合がある。かかる観点から、Ｔｒ
がＴｏよりも小さくならない範囲で加圧するのが好まし
い。なお、ここでの布帛単独の厚みや炭素繊維基材の厚
みの測定は、ＪＩＳ Ｒ７６０２に沿って測定したもの
を用いる。

【００５４】ここで、加圧ロール２３は、加熱されてい
るホットロールでも、強制的に冷却されているコールド
ロールでも、温調されていないロールでもよい。より効
率的に加圧の効果を発現させるためにはホットロールが
好ましい。また、設備費を安価にするためにはコールド
ロールや温調されていないロールを用いるのが好まし
い。これらの場合、加熱したの直後に加圧することによ
り、ホットロールとほぼ同等の効果を得ることができ
る。

【００５５】かかる観点から、加圧は室温以上の温度、
好ましくは第１の樹脂の融点−５０℃または流動開始温
度−５０℃よりも高い温度、更に好ましくは第１の樹脂
の融点または流動開始温度以上の温度で行われるのが好
ましい。

【００５６】（Ｊ）仮巻取工程（図中１’）および
（Ｋ）引出工程（図中１”） 図５では、製布工程１の後に、（Ｊ）の仮巻取工程１’
にて第１の樹脂を塗布する前に布帛１６を一旦巻き取っ
ている。一旦巻き取られた布帛１７は、（Ｋ）の引出工
程１”にて引き出され、図１と同様に塗布工程２にて第
１の樹脂２ａが塗布される。すなわち、製布工程１と塗
布工程２とが不連続的に（オフラインで）行われてい
る。かかる態様においては、製布工程１と、それよりも
早い速度で処理が可能な塗布工程２との加工速度を同一
にする必要がない。すなわち、塗布工程２のライン速度
を高くすることが可能となり、より生産性高く炭素繊維
基材を製造することが可能となる利点がある。

【００５７】（Ｇ）再塗布工程（図中２’） 本発明において、第１の樹脂と異なる第２の樹脂を更に
用いる場合には、図２に示すように第１の樹脂が接着し
た布帛に、第１の樹脂とは異なる第２の樹脂２’ａを布
帛１００重量部に対して０．１〜２０重量部の範囲で布
帛の表面に塗布して接着する。かかる第２の樹脂を用い
ることにより、第１の樹脂には無いまたは不足している
機能（例えば、力学特性向上など）を付与することがで
きる。

【００５８】特に力学特性を更に向上させる視点におい
ては、本発明に使用する第２の樹脂は第１の樹脂よりも
高い融点または流動開始温度を有しているものが好まし
い。好適な第２の樹脂の融点または流動開始温度は、１
５０℃以上、より好ましくは１８０℃以上、更に好まし
くは２１０℃以上である。別の視点からは、第２の樹脂
のガラス転移点は８０〜１８０℃の範囲であるのが好ま
しい。より好ましくは９０〜１６０℃、更に好ましくは
１００〜１４０℃の範囲である。

【００５９】上記特性を有する第２の樹脂が接着されて
いることにより、炭素繊維基材を積層して得られる複合
材料の力学特性（特にＣＡＩ）をより一層高くすること
ができる。これは、融点または流動開始温度の高い樹脂
の方が衝撃強度や破壊靭性に優れるためで、第１の樹脂
のみの場合よりも格段に優れた効果が発現する。

【００６０】かかる第２の樹脂は、第１の樹脂と共に布
帛の表面に接着されていても、第２の樹脂が直接に布帛
の表面に接着されていてもよいが、より接着性を高める
ために第１の樹脂を介して布帛の表面に接着されている
のが好ましい。このようにすることにより、より確実
に、第２の樹脂を布帛の表面に接着させることができ
る。第２の樹脂を直接布帛に接着しようとすると、第１
の樹脂を接着させる温度よりも高い温度にする必要があ
るが、第１の樹脂と共に、主に第１の樹脂の接着力を利
用して接着させることにより一層低い温度での接着が可
能となるため、製造効率の面から好ましい。

【００６１】第２の樹脂は、力学特性の視点からは、そ
の主成分は熱可塑性樹脂であるのが好ましく、上述の第
１の樹脂の例に挙げたものが使用できる。その中でもポ
リアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスル
フォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンエー
テル、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテル
ケトンから選ばれる少なくとも１種であると上記の効果
を容易に発現することができ好ましい。なお、第２の樹
脂が第１の樹脂と異なるとは、樹脂種、共重合組成、配
合組成、添加剤組成などから選ばれる少なくとも一つが
異なることをいう。したがって、例えば、同種類の樹脂
で流動開始温度が異なる組み合わせは、相溶性に優れた
好ましい組み合わせといえる。

【００６２】（Ｃ）または（Ｈ）の冷却工程（図中３） 第１の樹脂が接着した布帛を例えばコールドローラー３
１や空冷にて第１の樹脂の融点未満または第１の樹脂の
流動開始温度未満の温度に冷却する工程である。かかる
冷却にて、第１の樹脂の接着を完了させ、炭素繊維基材
を安定した状態で取り扱える様にする。

【００６３】（Ｌ）巻取工程（図中４）または（Ｍ）切
出工程 その後必要に応じて、第１の樹脂が接着された布帛４１
を巻き取る（Ｌ）の巻取工程４を経てもよいし、第１の
樹脂が接着された布帛４１を切り出す（Ｍ）の切出工程
（図示せず）を経てもよい。

【００６４】次に本発明の製造方法により製造された炭
素繊維基材の好ましい例を示す。図８は本発明の方法に
て製造された炭素繊維基材の一態様の平面図である。炭
素繊維からなるたて糸束１１およびよこ糸束１２から構
成される二方向性織物に、第１の樹脂２ａが織物表面に
塗布されて接着している。

【００６５】また、図９も本発明の方法にて製造された
炭素繊維基材の別の一態様の平面図である。炭素繊維か
らなるたて糸束１１および補助繊維からなる補助よこ糸
束１２’から構成される一方向性織物に、第１の樹脂２
ａが織物表面に塗布されて接着している。

【００６６】図８または図９において、第１の樹脂２ａ
は、図８に示すように織物の表面に点在して接着されて
いてもよいし、図９に示すように織物表面を覆うように
接着されていてもよい。第１の樹脂の種類によってその
好ましい形態は異なり、その種類によって適宜接着形態
を選択するのが好ましい。

【００６７】かかる炭素繊維基材は、後述の第３の樹脂
の含浸性の面から、その通気性は１０〜２００ｃｍ³／
ｃｍ²・ｓｅｃの範囲、より好ましくは１２〜１２０ｃ
ｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃ、更に好ましくは１５〜１００ｃｍ
³／ｃｍ²・ｓｅｃの範囲であるのが好ましい。通気性が
１０ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃ未満であると樹脂の含浸性に
劣ることを意味するため好ましくない。また、通気性が
２００ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃを越えると含浸性には優れ
るが、逆に布帛の炭素繊維の隙間が大きくなりすぎ、複
合材料にした場合に樹脂リッチ部分を多く形成すること
による力学特性の低下、サーマルクラックの発生等が起
こるため好ましくない。なお、かかる通気性は、ＪＩＳ
Ｌ１０９６ Ａ法（フラジュール形法）に従い測定し
た空気の通過量を指し、本発明では大栄科学精器製作所
製ＡＰ−３６０を用いて測定した。

【００６８】次に本発明のプリフォームの製造方法につ
いて説明する。図１０は本発明のプリフォームの製造方
法の一態様を説明する概略図である。本発明のプリフォ
ームは、少なくとも次の（Ｏ）〜（Ｑ）の工程を含む方
法にて製造される。

【００６９】（Ｏ）積層工程（図中５） 上述の方法で製造した炭素繊維基材４３を少なくとも２
層以上積層する。ここで、プリフォームを輸送機器（特
に航空機）の構造（特に一次構造）部材として用いる場
合には、一方向性の布帛を疑似等方構成に積層するのが
好ましい。

【００７０】（Ｐ）賦型工程（図中６） 次に、２層以上積層した炭素繊維基材を、第１の樹脂の
融点−５０℃以上または流動開始温度−５０℃以上の温
度、より好ましくは第１の樹脂の融点以上または流動開
始温度以上に加熱し、加圧して賦型する。

【００７１】（Ｑ）基材接着工程（図中７） 更に、賦型した炭素繊維基材を第１の樹脂の融点未満ま
たは流動開始温度未満の温度に冷却して炭素繊維基材同
士を接着する。

【００７２】これらの工程を経ることで、積層された炭
素繊維基材４３の嵩を小さくすることができるだけでな
く、それらが一体化するので、ハンドリング性に優れた
プリフォーム８１を得ることができる。なお、必要に応
じて、接着された炭素繊維基材からなるプリフォーム８
１を取り出す取出工程８を経てもよいし、接着された炭
素繊維基材からなるプリフォーム８１を取り出さずにそ
のまま後述の第３の樹脂を注入する後述の（Ｓ）の注入
工程（図示せず）を経てもよい。この場合、プリフォー
ム型５１，５２は成形型として用いることを意味する。

【００７３】図１１は本発明の複合材料の製造方法の一
態様を説明する概略図である。本発明の複合材料は、少
なくとも次の（Ｒ）〜（Ｔ）の工程を含む方法にて製造
される。

【００７４】（Ｒ）セット工程（図中９） 上述の方法で製造したプリフォーム８１を成形型９１、
９２に配置して、キャビティを形成する。

【００７５】（Ｓ）注入工程（図中１０） 次に、液体化している後述の第３の樹脂１０１を、注入
口９３を介してキャビティ１０２に注入してプリフォー
ム８１に第３の樹脂１０１を含浸させる。

【００７６】（Ｔ）固化工程（図中１１） 更に、第３の樹脂１０１を固化（硬化または重合）させ
本発明の複合材料１１１を得る。ここで、第３の樹脂１
０１を固化させる際、固化効率を上げるために加熱する
のが好ましい。

【００７７】なお、必要に応じて、第３の樹脂１０１が
固化された複合材料１１１を取り出す取出工程１２を経
てもよく、更に第３の樹脂の固化を確実なものにするた
めに、複合材料１１１を再度加熱して固化するアフター
キュア（完全固化）工程（図示せず）を経てもよい。

【００７８】また、上記した（Ｒ）のセット工程９にお
いて、図１１に示すように成形型が雄型および雌型を含
む２つからなると、寸法精度に優れる複合材料を得るこ
とができる。また、従来のオートクレーブ成形に比べて
成形コストを低減することができるため好ましい。

【００７９】図１２は本発明の複合材料の製造方法にお
ける（Ｒ）のセット工程の別の一態様を説明する概略図
である。図１２に示すように、上記（Ｒ）のセット工程
において、成形型が雄型または雌型のいずれか（図１２
中では雌型９２）とバッグ材９５からなると、成形型費
を安くすることができ、より一層成形コストを低減する
ことができるため好ましい。かかるバッグ材としては、
例えばフィルム、柔軟性を有するラバー材等が挙げられ
る。バッグ材は通常柔軟なものであるため、バッグ材側
の面に剛性を付与するためのプレート（図示せず）等を
併用することができる。かかるプレートの併用により、
両面に成形型を用いた場合と同じレベルの寸法精度を達
成することが可能となる。

【００８０】更に、図１１および１２に示すように、
（Ｒ）セット工程において、脱気口９４から真空ポンプ
等で脱気して、キャビティ１０２内を真空に保ちながら
第３の樹脂１０１（図示せず）を注入口９３から注入す
ると、プリフォーム８１への第３の樹脂１０１の含浸が
容易となり、より品質の高い複合材料を短サイクルで成
形することができ、成形コストをより低くすることがで
きるため好ましい。

【００８１】本発明で使用する第３の樹脂は、本発明の
課題を解決する樹脂であれば特に限定されないが、その
成形性、力学特性の面から熱硬化性樹脂であるのが好ま
しく、上述の第１の樹脂の例に挙げたものが好ましく使
用される。但し、第１の樹脂と異なる点は、注入成形に
供する場合は、注入温度では液状である必要があること
である。かかる特性を有する熱硬化性樹脂として、エポ
キシ、フェノール、ビニルエステル、不飽和ポリエステ
ル、シアネートエステルおよびベンゾオキサジンから選
ばれる少なくとも１種を使用すると、本発明の課題を容
易に達成できるため好ましい。これらの樹脂に、更にエ
ラストマーやゴム成分、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を
添加した樹脂も、好ましく使用することができる。中で
も、例えば航空機の一次構造部材で要求される非常に高
い力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）を達成するために
は、エポキシまたはビスマレイミドであるのが好まし
く、とりわけエポキシが好ましい。

【００８２】ここで、第３の樹脂と、第１の樹脂および
第２の樹脂とは、その役割がそれぞれ異なることから、
その点を考慮して選択するのが好ましい。すなわち、第
３の樹脂は含浸性に優れ（注入温度で樹脂粘度が低く、
ゲル化時間が長い）、かつ力学特性に優れるものを、第
１の樹脂および第２の樹脂は布帛の取り扱い性を向上
し、かつ高い力学特性を付与するものをそれぞれ選択し
て使用するのが好ましいのである。もちろん、第１の樹
脂、第２の樹脂、第３の樹脂において、その一部に同一
成分を使用することに何ら制限はなく、両者の相性の面
からは好ましい形態といえる。

【００８３】第３の樹脂を注入成形にてプリフォームに
含浸させる場合は、第３の樹脂は液状であり、かつその
粘度が低いと早い含浸が達成でき、成形サイクルを短く
できるため好ましい。具体的には注入温度において４０
０ｍＰａ・ｓ以下、より好ましくは２００ｍＰａ・ｓ以
下の粘度であることが好ましい。また、注入温度は１０
０℃以下であると、注入設備が簡易なものにできるため
好ましい。

【００８４】本発明の方法で製造される複合材料の用途
として特に限定されないが、優れた力学特性（特にＣＡ
Ｉ、ＣＨＷ）を有しているため、特に航空機、自動車、
船舶の輸送機器における一次構造部材、二次構造部材、
外装部材、内装部材として用いられると、その効果を最
大限に発現することができる。

【００８５】

【実施例】以下に、より具体的な実施例について説明す
る。

【００８６】（実施例１）まず、長さ３０ｍ、幅１ｍの
炭素繊維基材について、次の方法で製造した。

【００８７】硬化剤を含むエポキシ樹脂（流動開始温度
９０℃）の粒子（平均粒子径１６μｍ）と、芳香族ポリ
アミド共重合樹脂（流動開始温度２２０℃）の粒子（平
均粒子径４９μｍ）とを均一に混合して、粒子状の第１
の樹脂を用意した。

【００８８】次に、引張弾性率が２９４ＧＰａ、破壊歪
エネルギーが５８ＭＪ／ｍ³の実質的に連続した炭素繊
維束をたて糸とし、ガラス繊維ヤーン（日東紡績（株）
製”ＥＣＥ”２２５ １／０ バインダータイプＤＰ）
を補助よこ糸として一方向性織物（平織、織物厚み０．
３６ｍｍ、炭素繊維目付２９５ｇ／ｍ²、たて糸密度
２．８本／ｃｍ、よこ糸密度３本／ｃｍ、カバーファク
ター９８％）を製織した。

【００８９】製織に引き続き、連続的に製織した織物上
に、前記粒子状の第１の樹脂を彫刻ロールとドクターブ
レードにて計量しながら自然落下させ、振動ネットを介
して均一に分散させながら塗布した。なお、塗布量はエ
ポキシ樹脂および芳香族ポリアミド共重合樹脂ともに、
織物１００重量部に対してそれぞれ４重量部（合計８重
量部）とした。次いで、遠赤外線ヒーターにて前記粒子
状の第１の樹脂が塗布された織物を１２０℃以上に加熱
して、エポキシ樹脂により芳香族ポリアミド共重合樹脂
を接着した。

【００９０】その後、大気中にて６０℃以下に冷却して
炭素繊維基材を巻き取った。なお、本実施例は製布工程
から冷却工程まで、オンラインで連続的に行い、加工速
度は０．３ｍ／ｍｉｎであった。

【００９１】得られた炭素繊維基材は、基材にコシがあ
り、形態安定性に優れたものであった。また、後述の積
層時にも粘着性、賦形性にも優れたものであった。ま
た、炭素繊維基材厚みは０．４４ｍｍであった。

【００９２】（実施例２）実施例１と同じ一方向性織物
を同様に製織して巻き取った。一旦巻き取った一方向性
織物を引き出し、実施例１と同様にして第１の樹脂を塗
布、接着、冷却して炭素繊維基材を巻き取った。すなわ
ち、本実施例は製布工程と塗布工程とをオフラインで不
連続的に行った。

【００９３】得られた炭素繊維基材は、製布工程でのた
て糸張力が一旦解放されているので、実施例１のものよ
りも僅かながらたて糸の緩み（ボコツキ）が目立った
が、ほぼ同様のものであった。また、本実施例の製布工
程の加工速度は実施例１と同じながら、塗布工程の加工
速度は２ｍ／ｍｉｎにでき、実施例１よりも大幅に炭素
繊維基材の生産性に優れていた。

【００９４】（実施例３）硬化剤を含まないエポキシ樹
脂５０重量部（ジャパンエポキシレジン社製”エピコー
ト”１００４ＡＦ）と、芳香族ポリアミド共重合樹脂
（ガラス転移温度１６２℃）の粒子（平均粒子直径１３
μｍ）５０重量部とを、ニーダーを用いて１８０℃にて
溶融混練した後に冷凍粉砕して、芳香族ポリアミド共重
合樹脂の周囲を硬化剤を含まないエポキシ樹脂が被覆し
ている形態を有する粒子状の第１の樹脂を用意した（平
均粒子直径３８μｍ）。

【００９５】実施例１と同じ一方向性織物上にこの粒子
状の第１の樹脂を帯電させた状態で、圧縮気体にて均一
分散させながら織物１００重量部に対して１０重量部を
塗布した。更に、遠赤外線ヒーターにて、前記樹脂の粒
子が塗布された織物を１８０℃以上に加熱しながら、離
型処理を施した金属ローラーにて加圧し、樹脂の粒子を
織物に接着した。その後、実施例１と同様に冷却し、炭
素繊維基材を巻き取った。

【００９６】得られた炭素繊維基材は、実施例１と同様
に取り扱い性に優れた。また、実施例１よりも強固に粒
子状の樹脂が接着しており、かつ炭素繊維基材厚みは小
さくなっていた（０．３８ｍｍ）。更に、実施例１より
一層均一に粒子状の樹脂が分散しており、より優れた炭
素繊維基材であった。

【００９７】（実施例４）ポリエーテルスルフォン樹脂
（住友化学工業（株）製”スミカエクセル”５００３Ｐ
の微粉砕品）６０重量％とエポキシ樹脂（日本化薬
（株）製”ＡＫ−６０１”）４０重量％とを２軸押出機
にて溶融混練して両者を相溶化させたものを冷凍粉砕
し、粒子状の第１の樹脂を用意した（平均粒子直径１２
４μｍ、ガラス転移温度６０℃）。

【００９８】実施例１と同じ一方向性織物上に、この粒
子状の第１の樹脂を、実施例１と同様の方法で織物１０
０重量部に１０重量部を塗布した。更に、遠赤外線ヒー
ターにて１８０〜２００℃に加熱しながら、離型処理を
施した金属ニップローラーにて加圧して、粒子状の第１
の樹脂を一方向性織物に接着した。その後、実施例１と
同様に冷却して炭素繊維基材を巻き取った。

【００９９】得られた炭素繊維強化基材は、実施例１と
同様に取り扱い性に優れていた。また、実施例１よりも
強固に粒子状の樹脂が接着しており、かつ炭素繊維基材
厚みは薄くなっていた（０．３７ｍｍ）。なお、炭素繊
維基材の通気性は２４ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃであった。

【０１００】（実施例５）実施例１と同じたて糸と、補
助よこ糸を用いて、別の一方向性織物を製織した。この
織物は、ノンクリンプ構造で、織物厚み０．２４ｍｍ、
炭素繊維目付１９３ｇ／ｍ²、たて糸密度１．８本／ｃ
ｍ、よこ糸密度１本／ｃｍ、カバーファクター９５％を
有する織物である。なお、補助たて糸は、補助よこ糸と
同じガラス繊維ヤーンを用い、たて糸と交互に挿入した
（補助たて糸密度１．８本／ｃｍ）。

【０１０１】かかる一方向性織物を用い、織物１００重
量部に実施例４で使用した粒子状の第１の樹脂を１４重
量部塗布した以外は実施例４と同様にして、炭素繊維強
化基材を得た。

【０１０２】得られた炭素繊維強化基材は、実施例１と
同様に取り扱い性に優れたものであった。また、炭素繊
維基材厚みは０．２５ｍｍ、通気性は、７２．０ｃｍ³
／ｃｍ²・ｓｅｃであった。

【０１０３】（実施例６）実施例１、３〜５にて作製し
た炭素繊維基材を用いてプリフォームを製造した。すな
わち、長さ３４０ｍｍ、幅３４０ｍｍにカットした炭素
繊維基材を用い、実施例１、３、４は積層構成が［−４
５°／０°／＋４５°／９０°］を二回繰り返したも
の、実施例５は三回繰り返したものを用い、それぞれの
２組を９０°層が向かい合わせになるようにその２つを
貼合せた（シリメントリーに貼合せた）プリフォーム
（実施例１、３、４は計１６層、実施例５は計２４層と
なる）を以下の方法で製造した。

【０１０４】所定のサイズに裁断して上記積層構成にな
るように、炭素繊維基材をアイロンを用いて１２０℃に
加熱して粒子の樹脂により各炭素繊維基材同士を接着さ
せながら積層した。かかる積層したものを成形型の面上
に配置し、バッグ材（ポリアミドフィルム）とシーラン
トにて密閉したキャビティを真空にして大気圧を加えた
後、実施例１、３の炭素繊維基材は１２０℃、実施例
４、５の基材は７０℃に加熱して１時間保持した。その
後、キャビティの真空状態を保ちながら大気中にて６０
℃以下に冷却し、大気解放してプリフォームを得た。か
かるプリフォームは、各層がバラバラにならず、運搬の
際にも形態安定性が高く、取り扱い性に優れたものであ
った。

【０１０５】（実施例７）実施例６で製造したプリフォ
ームを用いて以下の方法で複合材料を製造した。まず、
プリフォームを成形型の面上に配置し、その上にピール
プライとして離型処理を施したポリエステル布帛、樹脂
拡散媒体としてアルミ製金網を順に配置し、それらをバ
ッグ材とシーラントにて樹脂注入口と減圧吸引口を設け
て密閉してキャビティを形成した。そして、減圧吸引口
から真空ポンプによってキャビティ内を吸引して、約
０．８ｋＰａの真空度にし、成形型およびプリフォーム
を７０℃に温度調節した。

【０１０６】その後に、第３の樹脂として予め脱泡を済
ませて注入可能な状態で準備されていた液状エポキシ樹
脂（次の主液１００重量部に硬化液を３２重量部加えた
もの（７０℃におけるＥ型粘度計による粘度：２５０ｍ
Ｐａ・ｓ）。主液；Ｖａｎｔｉｃｏ社製”アラルダイ
ト”ＭＹ−７２１を３０重量部、ジャパンエポキシレジ
ン社製”エピコート”８２５を２０重量部、日本化薬社
製”ＡＫ−６０１”を２０重量部、大日本インキ化学工
業社製”エピクロン”ＨＰ−７２００Ｌを３０重量部、
および、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸−ｎ
−プロピル１．４重量部、硬化液；ジャパンエポキシレ
ジン社製”エピキュア”Ｗを１８．１重量部、三井化学
ファイン社製３，３’−ジアミノジフェニルスルホンを
７．２重量部、住友化学工業社製”スミキュア”Ｓを
７．２重量部）を樹脂注入口から大気圧によって注入し
た。第３の樹脂が減圧吸引口に到達した時に樹脂注入口
を閉じて、注入を停止した。

【０１０７】それ以降は、減圧吸引口から真空ポンプに
より減圧を続けながら１３０℃で２時間保持して、プリ
フォームに含浸した第３の樹脂を硬化させた。第３の樹
脂が脱型可能な状態まで硬化していることを確認してピ
ールプライ等の各副資材を除去し、複合材料を成形型か
ら取り出した。更に、耐熱性を向上させるため、１８０
℃で２時間保持してアフターキュアを行った。

【０１０８】該複合材料を検査したところ、どこにもピ
ンホールやボイドが見当たらず、極めて良好な成形が行
われていたことが実証された。また、かかる複合材料か
ら長さ１５２ｍｍ×幅１０２ｍｍに切り出した試験片に
５．４４ｋｇ（１２ポンド）の錘を用いて６．６７ｋＪ
／ｍ（１５００ｉｎ・ｌｂ／ｉｎ）の落錘衝撃を与えた
後、常温圧縮強度（ＣＡＩ、ＳＡＣＭＡ ＳＲＭ ２Ｒ
−９４に準拠）を測定したところ、衝撃付与による損傷
面積を小さく抑制することができ、非常に高いＣＡＩを
発現した（実施例１；２２８ＭＰａ、実施例３；２４８
ＭＰａ、実施例４；２４６ＭＰａ、実施例５；２７８Ｍ
Ｐａ）。なお、上記結果は４サンプルの平均値をＶｆで
割り、５５を乗じた値（Ｖｆ＝５５％換算）である。

【０１０９】（実施例８）実施例６において、プリフォ
ームの積層構成として、実施例１、３、４は［０°］を
４層、実施例５は６層貼合せたものを用いて、実施例７
の方法で成形した複合材料について、ＳＡＣＭＡ ＳＲ
Ｍ １Ｒ−９４に準拠した試験片を７０℃の温水中に１
４日間浸漬し（湿熱処理）、直ちに高温（８２℃）の圧
縮強度（ＣＨＷ）を測定したところ、吸水による樹脂の
弾性率低下を最小限に抑制でき、非常に高いＣＨＷを発
現した（実施例１；１０４６ＭＰａ、実施例３；１０３
３ＭＰａ、実施例４；９８１ＭＰａ、実施例５；９６０
ＭＰａであった）。なお、上記結果は５サンプルの平均
値をＶｆで割り、５５を乗じた値（Ｖｆ＝５５％換算）
である。

【０１１０】（比較例１〜３）粒子状の樹脂を用いない
以外は、実施例１と同様に炭素繊維基材を、実施例６と
同様にプリフォームを、実施例７と同様に複合材料を製
造し、評価した。

【０１１１】樹脂を使用しなかった本比較例の炭素繊維
基材はコシがなく、形態安定性に劣ったものであった。
また、得られたプリフォームは、炭素繊維基材同士に粘
着性がなく、賦形性には優れるものの、その形態を維持
できず、取り扱い性に劣るものであった。また、得られ
た複合材料の力学特性としては、ＣＡＩは１５９ＭＰａ
であり大幅に各実施例より劣っていた。なお、ＣＨＷは
１０４９ＭＰａであり、各実施例とほぼ同等であった。

【０１１２】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、樹脂の含浸
が良好で、力学特性（特にＣＡＩ、ＣＨＷ）に優れた複
合材料を生産性良く得られるだけでなく、基材のコシ、
形態安定性、賦型性、積層する際のタック性等の優れた
取り扱い性を有する炭素繊維基材、およびそれを積層し
てなるプリフォーム、ならびにプリフォームにマトリッ
クス樹脂を含浸してなる複合材料の製造方法を提供でき
る。

【０１１３】このような複合材料は、航空機、自動車、
船舶等の輸送機器における一次構造部材、二次構造部
材、外装部品、内装部品もしくはそれらの部品等をはじ
め、特に航空機の一次構造部材に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炭素繊維基材の製造方法の一態様を説
明する概略図である。

【図２】本発明の炭素繊維基材の製造方法の別の一態様
を説明する概略図である。

【図３】本発明の炭素繊維基材の製造方法の別の一態様
を説明する概略図である。

【図４】本発明の炭素繊維基材の製造方法の別の一態様
を説明する概略図である。

【図５】本発明の炭素繊維基材の製造方法の別の一態様
を説明する概略図である。

【図６】本発明で好ましく用いられる一方向性織物の一
態様を説明する斜視図である。

【図７】本発明で好ましく用いられる一方向性織物の別
の一態様を説明する斜視図である。

【図８】本発明の方法にて製造された炭素繊維基材の一
態様の平面図である。

【図９】本発明の方法にて製造された炭素繊維基材の一
態様の平面図である。

【図１０】本発明のプリフォームの製造方法の一態様を
説明する概略図である。

【図１１】本発明の複合材料の製造方法の一態様を説明
する概略図である。

【図１２】本発明の複合材料の製造方法における（Ｒ）
セット工程の別の一態様を説明する概略図である。

【符号の説明】

１ ：製布工程 １１：織物を構成する連続した炭素繊維からなるたて糸
束 １１’：織物を構成する連続した補助繊維からなる補助
たて糸束 １２：織物を構成する連続した炭素繊維からなるよこ糸
束 １２’：織物を構成する連続した補助繊維からなる補助
よこ糸束 １３：綜絖 １４：筬 １５：レピア １６：布帛 １７：布帛 １’：巻取工程 １”：引出工程 ２ ：塗布工程 ２１：ホットローラー ２２：遠赤外線ヒーター ２ａ：第１の樹脂 ２ｂ：彫刻ロール ２ｃ：ドクターブレード ２ｄ：振動ネット ２ｅ：計量機 ２ｆ：圧縮気体 ２ｇ：スプレーヘッド ２ｈ：スクリュー ２ｉ：ギアポンプ ２ｊ：ホットメルト・コーター ２’：再塗布工程 ２’ａ：第２の樹脂 ２”：加圧工程 ２３：加圧ロール ３ ：冷却工程 ３１：コールドローラー ４ ：巻取工程 ４１、４２、４３、８Ａ、９Ａ：炭素繊維基材 ６Ａ、７Ａ：一方向性織物 ５ ：積層工程 ５１：プリフォーム型（雄型） ５２：プリフォーム型（雌型） ６ ：賦型工程 ７ ：基材接着工程 ８ ：取出工程 ８１：プリフォーム ９ ：セット工程 ９１：成形型（雄型） ９２：成形型（雌型） ９３：注入口 ９４：脱気口 ９５：バッグ材（バッグフィルム） ９６：シーラント １０１：第３の樹脂 １０２：キャビティ １１１：複合材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｌ 101:00 Ｃ０８Ｌ 101:00 Ｆターム(参考） 4F072 AB09 AB10 AB28 AC06 AC08 AC10 AC12 AC13 AC14 AD08 AD11 AD13 AD23 AD38 AD43 AG02 AG03 AG16 AH02 AH04 AK02 AK06 AL02 AL04 4F204 AD02 AD16 AG01 AG03 AK04 AK07 AR06 AR08 EA03 EB01 EB02 EB11 EB22 EF01 EF05 EF23 EK07 EK09 EK15 EK24 4L048 AA03 AA05 AA48 AB06 AC09 BA01 BA02 CA01 CA15 DA41 EB00 EB02

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも次の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を
   含むことを特徴とする炭素繊維基材の製造方法。 （Ａ）引張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギ
   ーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した
   炭素繊維を用いて布帛を形成する製布工程。 （Ｂ）第１の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１
   〜２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着させる
   塗布工程。 （Ｃ）第１の樹脂が接着した布帛を、第１の樹脂の融点
   未満または第１の樹脂の流動開始温度未満の温度に冷却
   する冷却工程。
2. 【請求項２】 少なくとも次の（Ｅ）〜（Ｈ）の工程を
   含むことを特徴とする炭素繊維基材の製造方法。 （Ｅ）引張弾性率が２１０ＧＰａ以上、破壊歪エネルギ
   ーが４０ＭＪ／ｍ³ 以上であり、かつ実質的に連続した
   炭素繊維を用いて布帛を形成する製布工程。 （Ｆ）第１の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１
   〜２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着させる
   塗布工程。 （Ｇ）第１の樹脂が接着した布帛に、第１の樹脂とは異
   なる第２の樹脂を、布帛１００重量部に対して０．１〜
   ２０重量部の範囲で布帛の表面に塗布して接着させる再
   塗布工程。 （Ｈ）第１の樹脂および第２の樹脂が接着した布帛を、
   第１の樹脂の融点未満または第１の樹脂の流動開始温度
   未満の温度に冷却する冷却工程。
3. 【請求項３】 第１の樹脂が布帛１００重量部に対して
   ０．１〜１０重量部であることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の炭素繊維基材の製造方法。
4. 【請求項４】 製布する布帛が一方向性の布帛であるこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊
   維基材の製造方法。
5. 【請求項５】 製布する布帛が織物であることを特徴と
   する請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維基材の製
   造方法。
6. 【請求項６】 （Ａ）または（Ｅ）の製布工程の後、布
   帛が引き続き、連続的にそれぞれ（Ｂ）または（Ｆ）の
   塗布工程に供されることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれかに記載の炭素繊維基材の製造方法。
7. 【請求項７】 加工速度が０．５〜５ｍ／分であること
   を特徴とする請求項６に記載の炭素繊維基材の製造方
   法。
8. 【請求項８】 第１の樹脂または第２の樹脂として粒子
   状のものを用いることを特徴とする請求項１〜７のいず
   れかに記載の炭素繊維基材の製造方法。
9. 【請求項９】 第１の樹脂または第２の樹脂を、ロール
   とドクターブレードとを用いて計量し、振動ネットを通
   過させて分散させながら塗布することを特徴とする請求
   項８に記載の炭素繊維基材の製造方法。
10. 【請求項１０】 第１の樹脂または第２の樹脂を、帯電
    させて圧縮気体で分散させながら塗布することを特徴と
    する請求項８に記載の炭素繊維基材の製造方法。
11. 【請求項１１】 第１の樹脂または第２の樹脂が塗布さ
    れた布帛を、第１の樹脂の融点以上または第１の樹脂の
    流動開始温度以上の温度に加熱して、少なくとも第１の
    樹脂と布帛とを接着させることを特徴とする請求項１〜
    １０のいずれかに記載の炭素繊維基材の製造方法。
12. 【請求項１２】 第１の樹脂または第２の樹脂が塗布さ
    れた布帛を、室温以上の温度で加圧する（Ｉ）加圧工程
    を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに
    記載の炭素繊維基材の製造方法。
13. 【請求項１３】 第１の樹脂の融点以上または第１の樹
    脂の流動開始温度以上の温度に加熱する装置が、遠赤外
    線ヒーターおよび／またはホットローラーであることを
    特徴とする請求項１１または１２に記載の炭素繊維基材
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 第１の樹脂または第２の樹脂として、
    溶融した状態のものを用いて塗布することを特徴とする
    請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維基材の製造方
    法。
15. 【請求項１５】 第１の樹脂または第２の樹脂として、
    水または溶媒中に分散または溶解したものを用いて塗布
    することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の
    炭素繊維基材の製造方法。
16. 【請求項１６】 （Ａ）または（Ｅ）の製布工程の後に
    布帛を巻き取る（Ｊ）仮巻取工程を有し、かつ、（Ｂ）
    または（Ｆ）の塗布工程の前に一旦巻き取られた布帛を
    引き出す（Ｋ）引出工程を有することを特徴とする請求
    項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維基材の製造方法。
17. 【請求項１７】 （Ｃ）または（Ｈ）の冷却工程の後
    に、第１の樹脂または第２の樹脂が接着した布帛を巻き
    取る（Ｌ）巻取工程を有することを特徴とする請求項１
    〜１６のいずれかに記載の炭素繊維基材の製造方法。
18. 【請求項１８】 少なくとも次の（Ｏ）〜（Ｑ）の工程
    を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法。 （Ｏ）請求項１〜１７のいずれかに記載の方法で製造し
    た炭素繊維基材を少なくとも２層以上積層する積層工
    程。 （Ｐ）２層以上積層した炭素繊維基材を第１の樹脂の融
    点−５０℃以上または第１の樹脂の流動開始温度−５０
    ℃以上の温度に加熱し、加圧して賦型する賦型工程。 （Ｑ）賦型した炭素繊維基材を第１の樹脂の融点未満ま
    たは第１の樹脂の流動開始温度未満の温度に冷却して炭
    素繊維基材同士を接着する基材接着工程。
19. 【請求項１９】 少なくとも次の（Ｒ）〜（Ｔ）の工程
    を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。 （Ｒ）請求項１８に記載の方法で製造したプリフォーム
    を成形型に配置してキャビティを形成するセット工程。 （Ｓ）液体化している第３の樹脂を、キャビティ内に注
    入してプリフォームに第３の樹脂を含浸させる注入工
    程。 （Ｔ）第３の樹脂を固化させる固化工程。
20. 【請求項２０】 （Ｒ）のセット工程において、成形型
    が少なくとも雄型および雌型を含む２つからなることを
    特徴とする請求項１９に記載の複合材料の製造方法。
21. 【請求項２１】 （Ｒ）のセット工程において、成形型
    が少なくとも雄型または雌型のいずれかとバッグ材とか
    らなることを特徴とする請求項１９に記載の複合材料の
    製造方法。
22. 【請求項２２】 （Ｒ）のセット工程において、成形型
    同士または成形型とバッグ材とによって形成されるキャ
    ビティ内を真空に保ちながら第３の樹脂を注入すること
    を特徴とする請求項１９〜２１のいずれかに記載の複合
    材料の製造方法。