JP2010121250A - 繊維強化複合材料およびその複合成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】糸および織物の構造的な特徴を生かし、容易に安価に繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を提供する。
【解決手段】炭素繊維束３または／および天然繊維糸４に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸５を巻縫い掛合して複合繊維束糸１を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸１を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に接合した繊維強化複合材料。特に炭素繊維束３の１束ないし複数束または／および天然繊維糸４の１本ないし複数本と熱可塑性の合成繊維糸６を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸５を巻縫い掛合して複合繊維束糸１を形成して繊維強化複合材料を成形することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化分野における、特に炭素繊維や天然繊維に熱可塑性の合成繊維糸を巻縫いした繊維強化複合材料およびその複合成形体に関するものである。

近年、軽量で強度が高いことから、炭素繊維の利用が航空機や自動車、ボート、スポーツ分野で行なわれている。たとえば、特開２００３−２０５４２号公報や特開１０−１０２７９２号公報などのように炭素繊維糸を織物や布帛として航空機や構造物の補強用に利用することが提案されている。
実用新案登録第３１１５９９０号 特開２００３−２０５４２号公報 特開１０−１０２７９２号公報

しかし、炭素繊維は、単繊維糸径が４〜２０μｍといった極細の繊維長３０〜５００ｍｍといった短繊維と長繊維のものを数十本〜数千本サイジング剤等で付着して炭素繊維糸としているもので、織物とするときに単繊維糸がばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりしやすく、また炭素繊維糸を織物としてもその厚さが薄いので何枚も重ね合わせなければならざず、その重ね合わせるのにプリプレグ工程等が必要となったりして相当の手間がかかるものであった。

そのため、炭素繊維糸にカバリング精紡機でカバリングすることも提案されているが、一本一本の炭素繊維糸にカバリングするもので、装置も大掛かりとなり、手間もかかり、またそのカバリングが伸縮しやすいもので品質が安定しにくいものであった。

そこで、本発明者らは、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束に合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して炭素繊維束糸や、巻縫いした炭素繊維束糸を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物に形成した炭素繊維糸による織物を提案した。

そして、これらの複合繊維束糸やその織物について研究している中に、これらを加熱すると、熱可塑性の合成繊維糸が溶融して炭素繊維束糸と一体的に含浸状態に接合していることを見い出した。

本発明は、糸および織物の構造的な特徴を生かし、容易に繊維強化がはかれる繊維強化複合材料およびその複合成形体を開発することを課題とするものである。

本発明は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、炭素繊維束または／および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に接合したことを特徴とする繊維強化複合材料を提供するにある。

また、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成した繊維強化複合材料を提供するにある。

さらに、木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成した繊維強化複合材料を提供するにある。

さらにまた、複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して１〜５ｍｍのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合した繊維強化複合材料を提供するにある。

またさらに、織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成した繊維強化複合成形体を提供するにある。

本発明の繊維強化複合材料は、炭素繊維束または／および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に接合したことによって、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束や天然繊維糸に掛合糸で巻縫いできて、単繊維がばらけたり、毛羽立って剥がれたりせず、また炭素繊維束に弾力性を付与できて織物に製織することができるとともに、この織物状シートを加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に含浸状態に接合でき、糸および織物の構造的な特徴を生かした高い強度と靱性をもつ繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。

また、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸も炭素繊維束に一体的に含浸状態に溶融接合できて、より一層の糸および織物の構造的な特徴を生かした高い強度と靱性をもつ繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。

また、木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、上記したように引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸も天然繊維糸に一体的に含浸状態に溶融接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるとともに、再利用可能でリサイクル性にも優れ、グリーンコンポジットの成形環境に優しい繊維強化複合材料を得ることができるものである。

さらに、複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して１〜５ｍｍのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合することによって、メローミシンで容易にかつ迅速に合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を製造でき、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫いのピッチを変えることで容易に樹脂含有量を調整できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。

さらにまた、織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成することによって、成形に溶剤を使用しなくて作業環境特性に優れ、加熱プレスによって圧縮成形できるほか、プレスなどの大型設備がなくてもヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の簡易な加熱器で加熱して所要の形状に成形でき、上記のような糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合成形体を容易に得ることができるものである。特に変形しやすい織物状シートを利用することによって、所望の３次元形状にも容易に成形するようにできるものである。

本発明の繊維強化複合材料およびその複合成形体は、炭素繊維束または／および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に接合することを特徴としている。

複合繊維束糸１は、図１のようにオーバーロックやロックミシンのメローミシン２を利用してマルチフィラメントを束ねた炭素繊維束３の１束ないし複数束または／および天然繊維糸４の１本ないし複数本をメローミシン２に供給し、この炭素繊維束３または／および天然繊維糸４に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸５を巻縫い掛合して形成するようにしている。

マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束３は、ポリアクリロニトリルのＰＡＮ系の炭素繊維や石油ピッチのピッチ系の炭素繊維などのものが利用でき、ＰＡＮ系は樹脂をマトリックスとする複合材料として優れた特性を有するので、特に軽量構造用に適する。炭素繊維束３のフィラメントは、直径が約７〜１０μｍといった極細であり、これらのフィラメントを上記したように１０００〜１２０００本を束ねて０．数ｍｍ〜１ｍｍ位の太さとし、その際毛羽の発生を防止するのに少量の樹脂をコーティングするサイジング処理をしている。

炭素繊維束３は、１束毎等の所定量に掛合糸４を巻縫い掛合できるが、３〜７束、好ましくは３〜５束等の複数束毎に掛合糸５を巻縫い掛合するのが、複合繊維束糸１を太状ないし嵩高にできるものである。炭素繊維束３は、図２（ａ）のように１束、複数束の場合は図２（ｂ）のように３芯状、さらにこれらの外周部に軸対称に二重、三重状に配設することができる。また、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように炭素繊維束３に所定径のポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸６を整列状やランダム状に３〜１０本程の適宜数の複数本引き揃えて挿入することができる。

また、天然繊維糸４は、環境にやさしく木綿や麻等の天然繊維を使用するもので、１本毎に掛合糸５を巻縫い掛合できるが、３〜５本等の複数本毎に掛合糸５を巻縫い掛合することができるものである。炭素繊維束３と同じように天然繊維糸４も、図４（ａ）のように１本、複数本の場合は図４（ｂ）のように３芯状、さらにこれらの外周部に軸対称に二重、三重状に配設することもできる。また、図４（ｂ）、（ｃ）のように天然繊維糸４に所定径のポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸６を整列状やランダム状に３〜１０本程の適宜数の複数本引き揃えて挿入することができる。必要により、炭素繊維束３と天然繊維糸４を引き揃えて挿入することもできる。引き揃えて挿入する熱可塑性の合成繊維糸６としては、ポリプロピレンが安価で、加熱溶融も容易で好ましい。

掛合糸５は、ポリプロピレンやポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド等の熱可塑性の合成繊維糸が使用でき、０．１〜１０デニールの極細のものが嵩高とならずに掛合できて蜜な織物に形成できて好ましいが、上記した太状や嵩高状の炭素繊維束３のものでは必要により１００〜２４０デニールの適宜の太さの糸を使用することができる。また、掛合糸５は、メローミシン２に供給して１〜５ｍｍピッチで炭素繊維束３や天然繊維糸４に係合していくのが好ましく、かつ炭素繊維束３や天然繊維糸４がばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりするのを有効に防止できて好ましい。特に、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸５の巻縫いのピッチを変えることで、容易に樹脂含有量を調整できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした所定の樹脂含有量の繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。

このように形成した巻縫いした複合繊維束糸１は、図５のように織物状シート７とするのに経糸８および／または緯糸９に使用して平織、綾織等の所定の大きさの織物状シート７を製織し、特にばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりするのを防止でき、かつほとんど伸縮性のない炭素繊維束に弾力性を付与でき、また経糸切れ、緯糸切れなくて製織性を向上できる。

この炭素繊維束３や天然繊維糸４は、１束または１本以上でよいが、上記したように複数とすることにより、所定の嵩高のものが迅速かつ容易にでき、強度を高められて好ましい。特に、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ｂ）、（ｃ）のように炭素繊維束３や天然繊維糸４にポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸６を引き揃えるのが、強度を高められて好ましい。なお、本発明の趣旨の範囲で炭素繊維束３や天然繊維糸４、熱可塑性の合成繊維糸６は、対象物によって適宜の太さ、適宜の数とすることができる。

上記した掛合糸５は、図１のようにロックミシンのメローミシン２に上記した炭素繊維束３の１束ないし複数束または／および天然繊維糸４の１本ないし複数本とポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸６を引き揃えてメローミシン２に同時に供給し、搖動昇降するミシン針１０のポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸の針糸１１に掛合糸５と同一のポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸の上糸１２、下糸１３をかがり縫いして巻縫いすることによって、図６のように複合繊維束糸１を容易かつ迅速に得ることができる。

このようにして平織り等の所定の大きさに製織した織物状シート７は、所定の金型に装填し、所定の熱可塑性の合成樹脂シートを被覆したり、合成樹脂材を注入し、またこれらを必要とせずに、１８０〜２３０℃の所定温度に加熱して加熱プレスで圧縮成形すると、図７のように上記した熱可塑性の合成繊維糸５、６、１１、１２、１３が溶融して炭素繊維束３または／および天然繊維糸４と一体的に含浸状態に接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。

また、炭素繊維束３の１束ないし複数束または／および天然繊維糸４の１本ないし複数本と熱可塑性の合成繊維糸６を引き揃えて、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸５を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、上記のように織物に製織することができるとともに、図８のように引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸６が炭素繊維束３または／および天然繊維糸４と一体的に含浸状態に溶融接合できて、より一層の糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。

さらにまた、織物状シート７をヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に成形できるもので、プレスなどの大型設備がなくても、ヒータ、アイロン、熱風ヒータといった簡易な加熱器で加熱して所要の形状に成形できて上記のような糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に得ることができるものである。

このようにして平織り等の織物状シート７を加熱プレスで圧縮成形したり、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所望の形状に成形できるものであり、特に変形しやすい織物状シート７を利用することによって所望の３次元形状の曲面体を容易に成形することができるものである。また、木綿や麻等の天然繊維糸を使用すると、グリーンコンポジットの成形環境に優しく、リサイクルが容易な繊維強化複合材料を得ることができるものである。

図１以下は、本発明の実施例を示すもので、図１のようにマルチフィラメントを束ねた０．５ｍｍ径位の炭素繊維束３を図３（ａ）のように複数束とポリプロピレンの熱可塑性の合成繊維糸６を３〜５本程の複数本を引き揃えてメローミシン２に供給し、メローミシン２を駆動してミシン針１０を搖動、昇降して１４０デニールのポリプロピレンの熱可塑性繊維糸の合成糸の針糸１１を同じくポリプロピレンの熱可塑性繊維糸の上糸１２、下糸１３を介して同様の合成糸の掛合糸５に２ｍｍピッチで掛合して複合繊維束糸１を形成し、図５のように製織機に経糸８および緯糸９として供給し、平編みとして所定の大きさに製織した。

掛合糸５は、図６のように炭素繊維束３のばらけ防止と、毛羽立ち、剥がれを防ぐだけでなく、特にほとんど伸縮性のない炭素繊維糸にループ状となった掛合糸５で弾力性を付与することができる。その結果、経糸切れ、緯糸切れを起こすことなく非常に製織性が向上できる。また、掛合糸５を巻縫い掛合するとき、炭素繊維束３に撚りがかからずに巻縫いをすることができるため、特に非常に細く折れやすい単炭素繊維糸を切断することなく巻縫いできて、複合繊維束糸１の強度を低下させることを防止できるものである。

このようにして平織り等の所定の大きさに製織した織物状シート７を所定の金型に装填し、薄い熱可塑性の合成樹脂シートを被覆し、ほぼ２００℃に加熱して加熱プレスで圧縮成形して繊維強化複合材料体を成形した。２００℃に加熱して成形すると、図７、図８のように上記した熱可塑性の合成繊維糸５、６、１１、１２、１３が溶融して炭素繊維束３に一体的に含浸状態に接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができたものである。特に、従来のように外部から樹脂を含浸することなく、内部で溶融して炭素繊維束３と一体的に含浸状態に接合できたものである。

炭素繊維束３は、複数束として供給することによって、所要の太さの炭素繊維束糸として、図５のように製織機に経糸８および緯糸９として平織等の織物状シート７を形成し、プリプレグ処理等を行なって、できるだけ少なく所要数を積層して手間を少なく補強用に形成できるものである。

また、掛合糸５、合成繊維糸６にポリプロピレンの熱可塑性繊維糸を使用することで、作製した複合繊維束糸１の織物状シート７を加熱して容易に樹脂を溶融させた炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）を成形することができ、成形工程の省力化ができる。

織物状シート７は、用途によってその幅や長さを適宜に決定でき、従来のＦＲＰやＣＦＲＰと同様に自動車やその部材、ボート、スポーツ分野のテニスラケット、ゴルフのクラブシャフト、ヘッド、スキー板、スノーボート、日用品のヘルメット、安全靴、アタッシュケース、ＯＡ分野のパソコンや携帯電話などのケース、部品、土木、建築分野の補強材、ＴＶ、医療機器、レーザー装置、防弾チョッキ、その他の用途に対応して機械、装置、物品、構造物等の軽量、補強などに有効に対処することができる。

なお、複合繊維束糸１を製織した織物状シート７の複合繊維束糸１の方向を、交互に４５度等毎に対応するようにしたりして複数層積層して、繊維強化複合材料、その成形体の強度を高めることができるものである。

本発明の一実施例の複合繊維束糸の形成説明用図、 同上の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図（ａ）、（ｂ） 同上の他の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、 同上のさらに他の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、 同上の織物状シートの製造説明用概要図、 同上の複合繊維束糸への掛合糸の巻縫い状態を示す拡大した写真、 同上の織物状シートを加熱して圧縮成形した状態を示す写真、 同上の織物状シートを加熱して圧縮成形した複合繊維束糸部の拡大断面写真。

符号の説明

１…複合繊維束糸 ２…メローミシン ３…炭素繊維束 ４…天然繊維糸
５…掛合糸 ６…合成繊維糸 ７…織物状シート

Claims (5)

1. 炭素繊維束または／および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および／または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または／および天然繊維糸に一体的に接合したことを特徴とする繊維強化複合材料。
2. マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸とした請求項１に記載の繊維強化複合材料。
3. 木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸とした請求項１に記載の繊維強化複合材料。
4. 複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して１〜５ｍｍのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合した請求項１ないし３のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
5. 織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成した請求項１ないし４のいずれかに記載の繊維強化複合成形体。