JP2014047432A

JP2014047432A - 三次元繊維構造体

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Publication number: JP2014047432A
Application number: JP2012190129A
Authority: JP
Inventors: Akira Harada; 亮原田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-17
Also published as: WO2014034606A1

Abstract

【課題】平板状の三次元繊維構造体を、曲げ部を有する三次元形状の繊維強化樹脂の強化基材に使用しても、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で繊維強化樹脂の製造が可能な三次元繊維構造体を提供する。
【解決手段】三次元繊維構造体１１は、連続繊維からなる繊維層１２ａ，１２ｂが積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、繊維層１２ａ，１２ｂと交差する方向に配列される部分を有する結合糸１３で結合されている。結合糸１３として螺旋状の糸が使用されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元繊維構造体に関する。

繊維強化複合材（以下、単に複合材と言う。）は軽量の構造材として広く使用されている。複合材用の強化基材として三次元織物等の三次元繊維構造体がある。三次元繊維構造体を複合材の強化基材として広い用途に使用可能とするためには、単純な平板状ではなく曲げ部を有する三次元繊維構造体が必要となる。

曲げ部を有する三次元繊維構造体の製造方法として、平板状の三次元繊維構造体を作製して、それを曲げ部を有する三次元繊維構造体に賦形する方法がある。
また、複数の板状部が接続部において屈曲状態で連続する形状の三次元繊維構造体の形状に対応した形状に形成されるとともに規制部材が所定ピッチで配置された枠体を使用する方法がある（特許文献１参照）。この方法では、枠体の規制部材間に糸（連続繊維）を折り返し状に配列した糸層を積層して枠体上に積層糸群を形成した後、積層糸群を枠体に保持した状態で厚さ方向糸を挿入する。

特開平９−１３７３３６号公報

三次元繊維構造体を構成する厚さ方向糸やスティッチ糸等の拘束糸の伸びは非常に小さいため、平板状の三次元繊維構造体を作製して、それを曲げ部を有する三次元繊維構造体に賦形する場合は、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みが発生する。その結果、製造された曲げ部を有する三次元繊維構造体の寸法精度の悪化や三次元繊維構造体を強化基材とする複合材の強度低下を引き起こす。

一方、特許文献１の方法では、特殊な枠体を使用して、糸層を積層して三次元形状に形成された積層糸群に厚さ方向糸を挿入するため、積層工程及び厚さ方向糸挿入工程が非常に煩雑で工数がかかる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、平板状の三次元繊維構造体を、曲げ部を有する三次元形状の繊維強化樹脂の強化基材に使用しても、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で繊維強化樹脂の製造が可能な三次元繊維構造体を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、前記繊維層と交差する方向に配列される部分を有する結合糸で結合された三次元繊維構造体であって、前記結合糸として螺旋状の糸が使用されている。

ここで、「連続繊維」とは、単繊維（モノフィラメント）に限らず、単繊維が複数本束ねられた繊維束を含む。また、「結合糸として螺旋状の糸が使用されている。」とは、結合糸が螺旋状の糸のみでなく、所謂カバーリングヤーンのように芯糸とその周囲に鞘状に螺旋状の糸が巻き付いている芯鞘構成（芯鞘構造）の糸も含み、三次元繊維構造体を強化材とした繊維強化樹脂を製造した状態で芯糸が糸の機能を果たさない構成であればよい。例えば、芯糸が繊維強化樹脂を構成するマトリックス樹脂に溶ける場合が挙げられる。

この発明の三次元繊維構造体は、２軸配向となる積層繊維層を結合する結合糸として、螺旋状の糸が使用されているため、平板状の三次元繊維構造体を曲げ部を有する三次元形状に賦形した場合、曲げ部における皺や歪みの発生が防止、抑制された三次元繊維構造体となる。なぜならば、平板状の三次元繊維構造体に曲げ加工を施す際に、積層繊維層が繊維層の界面に沿った方向にずれようとする。そのとき、結合糸が直線状ではなく螺旋状のため、積層繊維層のずれを許容するように結合糸が伸びるため、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で曲げ部を有する三次元繊維構造体となる。

結合糸として螺旋状の糸のみが存在する構成は、例えば、芯糸とその周囲に鞘状に螺旋状の糸が巻き付いている芯鞘構成の糸で積層繊維層を結合した後、芯糸のみを引き抜くことで形成される。また、芯鞘構成の糸の芯糸を繊維強化樹脂のマトリックス樹脂に溶解可能な材質で構成し、繊維強化樹脂の製造工程において、芯鞘構成の糸の螺旋状の糸を残して芯糸をマトリックス樹脂に溶解させるようにしてもよい。

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、前記螺旋状の糸は、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍである。螺旋のピッチが多すぎると、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で曲げ部を有する三次元繊維構造体に曲げ加工することができても、その三次元繊維構造体が繊維強化樹脂の強化基材として使用された状態において、螺旋状の糸は強化繊維の機能が低くなる。この発明では、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍであるため、螺旋状の糸は、三次元繊維構造体が繊維強化樹脂の強化基材として使用された状態において、強化繊維の機能を確保することができる。

本発明によれば、平板状の三次元繊維構造体を、曲げ部を有する三次元形状の繊維強化樹脂の強化基材に使用しても、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で繊維強化樹脂の製造が可能な三次元繊維構造体を提供することができる。

（ａ）は平板状の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は積層繊維層と結合糸との関係を示す模式断面図、（ｃ）は螺旋状の結合糸が抜け止め糸と係合している状態の部分模式図。曲面部を有する三次元形状に賦形された三次元繊維構造体の模式図。（ａ），（ｂ）は別の実施形態の三次元繊維構造体の模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、三次元繊維構造体１１は、連続繊維が少なくとも２軸配向となるように配列された積層繊維層１２が、積層繊維層１２を構成する繊維層１２ａ，１２ｂと交差する方向に配列される部分を有する結合糸１３で結合されている。連続繊維としては、例えば、炭素繊維が使用される。炭素繊維はフィラメント数が数百〜数万本程度であり、要求性能に適した本数の繊維束が選択される。

図１（ｂ）に示すように、積層繊維層１２は、配列角度０°の連続繊維１４ａから成る繊維層１２ａと、配列角度９０°の連続繊維１４ｂから成る繊維層１２ｂとで構成されている。繊維層１２ａと繊維層１２ｂが交互に複数積層されて、２軸配向の積層繊維層１２が形成されている。

結合糸１３は、積層繊維層１２の一方の外面（図１の下面側）で折り返すように他方の外面側からループ状に挿入されるとともに、一方の外面から突出したループ部に挿通されて結合糸１３の配列方向と直交する方向に配列された抜け止め糸（耳糸）１５により抜け止めされている。結合糸１３と抜け止め糸１５との共同で積層繊維層１２の繊維層１２ａ，１２ｂが結合されている。

図１（ｃ）に示すように、結合糸１３として螺旋状の糸が使用されている。螺旋状の結合糸１３が積層繊維層１２を結合する構成は、例えば、芯鞘構成のカバーリングヤーンを用いて積層繊維層１２をカバーリングヤーン及び抜け止め糸１５で結合した後、芯糸のみを引き抜き、鞘部分の糸を結合糸１３として残すことで構成される。カバーリングヤーンとして、例えば、芯糸が一般的な化繊糸、鞘部がガラス繊維で構成されたものや、芯糸が一般的な化繊糸、鞘部が高強度・高弾性率繊維（例えば、アラミド繊維）で構成されたものが挙げられる。結合糸１３の螺旋のピッチは、三次元繊維構造体１１の厚さ、繊維体積含有率（Ｖｆ）、曲げ部の曲率半径、曲げ角度等により、適正な値の範囲が異なるため、予め予備試験を行って適正な値を設定する。結合糸１３を構成する螺旋状の糸の螺旋ピッチは、三次元繊維構造体１１を曲げ部を有する三次元形状に賦形する際に、結合糸１３が結合している繊維層が曲げ加工に伴って隣り合う繊維層に沿った移動を許容可能な値に設定される。結合糸１３を構成する螺旋状の糸は、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍであることが好ましく、螺旋のピッチが１００〜６００回転／ｍであることがより好ましい。なお、図１（ｃ）以外では、結合糸１３を螺旋状に図示するのを省略している。

前記のように構成された三次元繊維構造体１１は、曲げ加工により曲面部を有する三次元形状の三次元繊維構造体１１に加工された後、繊維強化樹脂の強化基材として使用される。平板状の三次元繊維構造体１１の曲げ加工は、例えば、三次元繊維構造体１１を所定形状の型面を有するクランプ装置によって少なくとも２箇所において把持し、次に把持した三次元繊維構造体１１を、把持した箇所の間において所定形状の押圧面を有するプレッサで押圧する。このとき、三次元繊維構造体１１に不要な力が加わらないように少なくともクランプ装置の一つが三次元繊維構造体１１の把持部の間隔が狭くなるように移動される。そして、三次元繊維構造体がプレッサの押圧面に沿うように変形されるとともに、プレッサの押圧面とクランプ装置の型面とで押圧されて賦形が行われる。この曲げ加工方法は、例えば、特開２００７−１０４６号公報に開示されている方法と基本的に同様である。

三次元繊維構造体１１がプレッサで押圧される際、三次元繊維構造体１１を構成する繊維層１２ａ，１２ｂに対して、繊維層１２ａ，１２ｂの面にそって移動する力が加わる。しかし、積層繊維層１２を結合する結合糸１３は螺旋状に形成されているため、結合糸１３が直線状の場合と異なり、繊維層１２ａ，１２ｂの移動に追随して結合糸１３が伸びることにより、繊維層１２ａ，１２ｂが円滑に移動し、曲げ部における皺や歪みの発生が防止、抑制される。その結果、曲げ部における皺や歪みが抑制された三次元形状の三次元繊維構造体１１が得られる。図２には、断面ハット状の三次元繊維構造体１１が示されている。三次元繊維構造体１１は曲げ部１６が４箇所あるが、曲げ部１６に皺や歪みがない。

得られた三次元形状の三次元繊維構造体１１は、マトリックス樹脂が含浸、硬化されて複合材としてのＦＲＰ（繊維強化樹脂）となる。三次元繊維構造体１１に樹脂を含浸させる処理には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法や、真空ＲＴＭ法（ＶａＲＴＭ法）が採用される。ＲＴＭ法では、成形金型内に三次元繊維構造体１１を載置し、この成形金型内にマトリック樹脂を構成する硬化前の熱硬化性樹脂を注入して含浸させた後、加熱硬化させる。

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）三次元繊維構造体１１は、連続繊維からなる繊維層１２ａ，１２ｂが積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、繊維層１２ａ，１２ｂと交差する方向に配列される部分を有する結合糸１３で結合され、結合糸１３として螺旋状の糸が使用されている。したがって、平板状の三次元繊維構造体１１を曲げ部１６を有する三次元形状に賦形した場合、曲げ部１６における皺や歪みの発生が防止、抑制された三次元繊維構造体１１となる。

（２）結合糸１３を構成する螺旋状の糸は、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍである。螺旋のピッチが多すぎると、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で曲げ部を有する三次元繊維構造体に曲げ加工することができても、その三次元繊維構造体が繊維強化樹脂の強化基材として使用された状態において、螺旋状の糸は強化繊維の機能が低くなる。この発明では、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍであるため、螺旋状の糸は、三次元繊維構造体が繊維強化樹脂の強化基材として使用された状態において、強化繊維の機能を確保することができる。

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。
○ 三次元繊維構造体１１は、連続繊維からなる繊維層１２ａ，１２ｂが積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、繊維層１２ａ，１２ｂと交差する方向に配列される部分を有する結合糸１３で結合され、結合糸１３として螺旋状の糸が使用されていればよい。例えば、螺旋状の糸に代えて、所謂カバーリングヤーンのように芯糸とその周囲に鞘状に螺旋状の糸が巻き付いている芯鞘構成の糸であってもよい。芯鞘構成の糸の場合、芯糸は、少なくとも平板状の三次元繊維構造体１１を曲げ部１６を有する三次元形状に賦形する際、又は三次元形状に賦形するまでに芯糸が糸の機能を失う状態になるものであればよい。

○ 結合糸１３として、芯鞘構成の糸の芯糸を、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂に溶解可能な材質で構成する。例えば、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂の場合、芯糸を熱可塑性樹脂製の糸とし、繊維強化樹脂の製造工程において、平板状の三次元繊維構造体１１にマトリックス樹脂を含浸させて平板状の繊維強化樹脂中間体を構成した後、その繊維強化樹脂中間体をプレス成形で曲げ部１６を有する三次元形状の繊維強化樹脂に加工する。この場合、平板状の繊維強化樹脂中間体の段階で、芯糸はマトリックス樹脂に溶解した状態になり、繊維強化樹脂中間体をプレス成形する際は、糸として機能しないため、繊維強化樹脂中間体のプレス成形の際に、曲げ部１６における皺や歪みの発生が防止、抑制される。

○ 結合糸１３として、芯鞘構成の糸の芯糸を、熱硬化性樹脂に溶解可能な材質で形成してもよい。この場合、平板状の三次元繊維構造体１１に未硬化の状態の熱硬化性樹脂を含浸させる必要があるため、熱可塑性樹脂の場合と異なり、含浸時に加熱を自由に行うことはできない。芯糸の材質としてフェノキシ樹脂を使用してもよい。フェノキシ樹脂を使用した場合、得られた繊維強化樹脂は、結合糸１３の周囲にフェノキシ樹脂がマトリックス樹脂と混合した相が存在する。繊維強化樹脂は、結合糸１３の付近に樹脂リッチ部が存在し易くなり、樹脂リッチ部ではマイクロクラックが発生し易い。しかし、フェノキシ樹脂が混在すると、フェノキシ樹脂は、分子鎖が長いので屈曲性があり、柔軟性に優れ、また、親水基としての水酸基、疎水基としての炭化水素基を有するため接着性が良く、樹脂リッチ部の靱性が向上し、マイクロクラックの発生が抑制される。

○ 積層繊維層１２を結合する結合糸１３は、積層繊維層１２に一方の面から折り返し状に挿入されるとともに抜け止め糸１５で抜け止めされる構成に限らず、針を用いて１本の結合糸１３を積層繊維層１２に一方の面から挿通され、他方の面で貫通位置を変えて折り返す用に挿通されることを繰り返すスティッチ糸であってもよい。

○ 結合糸１３の挿入間隔（密度）は、目的とする複合材に要求される強度に対応して設定される。
○ 連続繊維１４ａ，１４ｂからなる繊維層１２ａ，１２ｂが積層された積層繊維層１２は、少なくとも２軸配向となればよく、連続繊維の配列角度は、０度と９０度の組み合わせに限らない。例えば、配列角度が０度と９０度の他に、配列角度が＋４５度及び−４５度の連続繊維からなる繊維層を設けて４軸配向としたり、配列角度が０度又は９０度の連続繊維と、その連続繊維に対して斜めに配列されるバイアス繊維束との組み合わせによる３軸配向としたりしてもよい。

○ 積層繊維層１２は、配列角度が同じ連続繊維がそれぞれ一平面上に位置するように配列されて構成された繊維層が積層された構成に限らず、繊維層として織物が積層された構成であってもよい。織物としては、例えば、平織りの織物が使用されるが、二重織物、三重織物、風通織物等の多層織物を積層してもよい。この場合、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層１２を構成するより、積層繊維層１２の形成を短時間で行うことができる。

○ 平板状の三次元繊維構造体１１から構成される曲げ部１６を有する三次元繊維構造体１１の形状は、図２に示す曲げ部１６が４箇所ある形状に限らない。例えば、図３（ａ）に示すように、曲げ部１６が１箇所の断面Ｌ字状や、図３（ｂ）に示すように、曲げ部１６が２箇所の断面クランク状にしてもよい。

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）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記螺旋状の糸は、芯鞘構造の糸の鞘の部分を構成する糸である。

（２）請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明の三次元繊維構造体に熱硬化製樹脂又は熱可塑性樹脂が含浸されたプリプレグ。
（３）前記技術的思想（１）に記載の発明の三次元繊維構造体のうち芯糸が熱硬化性樹脂に溶解可能な繊維で構成され、鞘の部分を構成する糸が熱硬化性樹脂に溶解不能な繊維で構成された三次元繊維構造体を強化基材として使用し、前記三次元繊維構造体に未硬化の前記熱硬化性樹脂を含浸させた状態で成形型により賦形しつつ前記熱硬化性樹脂を硬化させる繊維強化複合材の製造方法。

（４）前記技術的思想（３）に記載の発明において、前記芯糸としてフェノキシ樹脂繊維が使用されている。

１１…三次元繊維構造体、１２…積層繊維層、１２ａ，１２ｂ…繊維層、１３…結合糸、１４ａ，１４ｂ…連続繊維。

Claims

連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、前記繊維層と交差する方向に配列される部分を有する結合糸で結合された三次元繊維構造体であって、前記結合糸として螺旋状の糸が使用されていることを特徴とする三次元繊維構造体。
前記螺旋状の糸は、螺旋のピッチが１００〜１０００回転／ｍである請求項１に記載の三次元繊維構造体。