JP2015116806A - 熱可塑性樹脂補強シート材及びその製造方法 - Google Patents

熱可塑性樹脂補強シート材及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、Ｖｆ値への対応が容易でカールすることのない熱可塑性樹脂補強シート材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】熱可塑性樹脂補強シート材１は、複数の補強繊維が所定方向に引き揃えられてシート状に形成されるとともに目付が８０ｇ／ｍ2以下の補強繊維シート材２と、繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地３と、布地３の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化するとともに補強繊維シート材２及び布地３を離散的に付着させる接着用熱可塑性樹脂材４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状を有する熱可塑性樹脂複合材料成型品を得るに好適なシート材に関するものであり、詳しくは、炭素繊維等の補強繊維を引き揃えシート状に形成した補強繊維シート材に熱可塑性樹脂材料からなる布地を付着させた熱可塑性樹脂補強シート材及びその製造方法に関する。
繊維補強複合材料は、繊維材料とマトリックス材料を組み合せたもので、軽量で剛性が高く多様な機能設計が可能な材料であり、航空宇宙分野、輸送分野、土木建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で用いられている。現在、炭素繊維又はガラス繊維といった補強繊維材料を熱硬化性樹脂材料と組み合せた繊維強化プラスチック材料が主流となっている。しかし、リサイクル性、短時間成型性、成型品の耐衝撃特性の向上等の利点から、マトリックス樹脂に熱可塑性樹脂材料を用いた成型品開発が今後増加すると考えられている。
一方、成型品を得る際、成型を容易にし、成型コストを削減するため、補強繊維材料の補強方向が多軸になるよう積層された多軸補強シート材を用いた成型品及び成型方法が注目されている。こうしたことから、補強繊維材料と熱可塑性樹脂材料を組み合わせたシート材、特に、補強繊維材料が多軸に積層された多軸補強シート材と熱可塑性樹脂材料を組み合わせたシート材、そして、そのシート材による高品質、短時間そして低コストな成型品製造が期待されている。
補強繊維材料と熱可塑性樹脂材料とを組み合わせたシート材としては、例えば、特許文献１では、リボン状の強化繊維のトウと、これと同幅のリボン状のマトリクス樹脂層とを重ね、接合部で接合したプリプレグリボンが記載されており、マトリクス樹脂層は、繊維強化熱可塑性樹脂製品においてマトリクスとなる樹脂からなるリボン状の層であり、その形態として、フィルム、不織布、織布、繊維束等が挙げられている。また、特許文献２では、熱可塑性樹脂補強シート材を、複数の補強繊維がサイジング剤等により集束した補強繊維束を幅方向に複数本引き揃えシート状とした補強繊維シート材の片面に、熱可塑性樹脂シート材を、熱可塑性樹脂シート材の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化する接着用熱可塑性樹脂材によって付着させて構成し、熱可塑性樹脂補強シート材を積層して、接着用熱可塑性樹脂材により各層の熱可塑性樹脂補強シート材を接着一体化させることにより熱可塑性樹脂多層補強シート材を得る点が記載されている。
特開平６−３２２１６０号公報 特開２００８−２２１８３３号公報
上述した特許文献では、熱可塑性樹脂補強シート材を補強繊維材料及び熱可塑性樹脂シート材を重ね合せて構成した点が記載されている。補強繊維材料は、炭素繊維等の補強繊維を開繊処理してシート状に形成して用いられているが、開繊処理技術の進展により開繊したシート材を均一に広幅に形成するとともに厚さが補強繊維の単糸直径の１０倍以下にすることが可能となっている。例えば、補強繊維の単糸直径が０．００５〜０．００７ｍｍの場合、補強繊維シート材の厚さは、０．０５〜０．０７ｍｍ以下となる。そのため、薄く幅広に形成された補強繊維シート材を用いて熱可塑性樹脂補強シート材を製造することが求められている。
複合材料成型品を製造する場合に、繊維体積含有率（以下、「Ｖｆ値」と略称する）を設定して行われるが、上述した薄く幅広に形成された補強繊維シート材では目付け（単位面積あたりの繊維重量）が小さくなっているので、所定のＶｆ値に設定するためには、補強繊維シート材に対応して熱可塑性樹脂シート材の単位面積当たりの重量を小さくする必要がある。そのため、補強繊維シート材の厚さが薄くなることに合わせて熱可塑性樹脂シート材を薄く幅広に形成することが考えられるが、熱可塑性樹脂シート材を、０．１ｍｍ以下に均一に幅広で薄く形成することは量産化が難しい。
また、こうした薄く幅広に形成された補強繊維シート材の片面に熱可塑性樹脂シート材を付着させた場合、補強繊維シート材はほとんど伸縮することはないが、熱可塑性樹脂シート材は伸縮しやすいため、得られた熱可塑性樹脂補強シート材はカールするようになり、取り扱いが難しくなる。
そこで、本発明は、Ｖｆ値への対応が容易でカールすることのない熱可塑性樹脂補強シート材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る熱可塑性樹脂補強シート材は、複数の補強繊維が所定方向に引き揃えられてシート状に形成されるとともに目付が８０ｇ／ｍ2以下の補強繊維シート材と、繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地と、前記布地の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化するとともに前記補強繊維シート材及び前記布地を離散的に付着させる接着用熱可塑性樹脂材とを備えている。さらに、前記布地は、気孔容積率が５０％以上である。さらに、前記布地は、編地である。さらに、前記補強繊維シート材は、断面厚さが前記補強繊維の直径の１０倍以内に設定されている。さらに、前記接着用熱可塑性樹脂材の付着量は、前記布地の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2である。さらに、上記の熱可塑性樹脂補強シート材が複数枚積層して形成され、一体化されている。さらに、前記熱可塑性樹脂補強シート材は、前記補強繊維シート材の引き揃えられた方向がそれぞれ多軸となるように積層されている。
本発明に係る熱可塑性樹脂補強シート材の製造方法は、繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地を加熱して当該布地の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化する粉体状の接着用熱可塑性樹脂材を当該布地の表面に離散的に仮接着させる仮接着工程と、複数の補強繊維を所定方向に引き揃えてシート状に形成された補強繊維シート材及び前記布地を当接させて、前記布地の溶融温度より低い温度で加熱して仮接着された前記接着用熱可塑性樹脂材を溶融させることで前記補強繊維シート材及び前記布地を付着させる付着工程と、を含む。さらに、前記仮接着工程では、前記接着用熱可塑性樹脂材を前記布地の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2付着させる。
本発明は、熱可塑性樹脂繊維材料からなる布地を用いることで、補強繊維シート材に対応して幅広で薄く形成することができるとともに熱可塑性樹脂材料の減量化を図ることができ、薄く幅広に形成された補強繊維シート材を用いた場合にもＶｆ値への対応を容易に行うことが可能となる。また、補強繊維シート材は、伸縮変形及び曲げ変形の容易な柔軟性を有する布地に付着しているので、薄く幅広の形態で真直性を保った状態に維持され、カール等の変形のない熱可塑性樹脂補強シート材を得ることができる。
また、繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地を用いることで、空隙の多い薄い布地を得ることができ、熱可塑性樹脂補強シート材を積層して成型品を形成する場合に、布地を通して内部の空気を容易に脱気することができ、ボイド（空隙）のほとんどない成型品を製造することが可能となる。
本発明に係る実施形態に関する熱可塑性樹脂補強シート材の一部を示す平面図である。 布地の緯方向に沿って切断した概略断面図である。 熱可塑性樹脂補強シート材の製造工程に関する説明図である。
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
図１は、本発明に係る実施形態に関する熱可塑性樹脂補強シート材の一部を示す平面図である。熱可塑性樹脂補強シート材１は、複数の補強繊維がサイジング剤等により集束した補強繊維束を幅方向に複数本引き揃えシート状とした補強繊維シート材２の片面に、熱可塑性樹脂繊維材料からなる布地３を付着させて構成されている。この例では、布地３は、デンビー編により編成されており、図２は、布地３の緯方向に沿って切断した概略断面図である。布地３は、布地３を構成する熱可塑性樹脂繊維材料の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化する接着用熱可塑性樹脂材４によって、補強繊維シート材２に付着させて構成されている。なお、布地３は補強繊維シート材２の両面に付着させてもよい。さらに、布地３の両面に補強繊維シート材２を付着させて構成してもよい。
図１では、補強繊維シート材２と布地３を接着用熱可塑性樹脂材４によって接着して、ばらけないように一体化させることにより、補強繊維シート材２と布地３とを付着させている。つまり、布地３の溶融温度まで加熱せず、補強繊維シート材２と布地３を付着させているため、補強繊維シート材２の形態及び布地３の形態が維持されている。
空隙が多く低い目付の布地３を用いることで、熱可塑性樹脂補強シート材のＶｆ値に合わせて、薄く低い目付の補強繊維シート材に対応した熱可塑性樹脂材料の減量化を図ることができる。そして、空隙の多い布地３に対して接着用熱可塑性樹脂材４を離散的に分布させることで、接着用熱可塑性樹脂材４の付着量を抑えることが可能となり、熱可塑性樹脂材料の全体量をさらに減量して高いＶｆ値にも容易に対応することができる。
また、空隙の多い布地の場合でも経方向及び緯方向に満遍なく熱可塑性樹脂繊維材料が分布しているので、熱可塑性樹脂繊維材料及び補強繊維シート材２を接着用熱可塑性樹脂材４により接着することで、補強繊維シート材２がばらけることはなく、シートの形態を安定して維持することができる。そして、布地３は、伸縮変形及び曲げ変形に対して柔軟に変形することができるとともにカール等の発生がほとんどないので、シートとしての形態を維持しながら取り扱いを向上させることが可能となる。そのため、熱可塑性樹脂補強シート材のドレープ性、補強繊維の真直な状態及び均一な分散状態等に優れた熱可塑性樹脂補強シート材が得られる。
本発明に用いる布地としては、上述した編地のように、空隙が多く低い目付が実現できるとともに柔軟性を有してカール等の発生しない素材であれば用いることができ、例えば織地を用いることもできる。
布地の空隙の大きさは、気孔容積率により算出される。気孔容積率は、布地の目付Ａｇ／ｍ2及び厚さＴｍｍ並びに布地を構成する熱可塑性繊維材料の比重Ｍにより以下の式から求めることができる。なお、布地の目付及び厚さについては、ＪＩＳ Ｌ １０９６（２０１０）に基づいて測定すればよい。
気孔容積率 Ｐ＝（Ｍ−Ｂ）／Ｍ ×１００（％）
Ｂ：見かけ比重＝Ａ／（１０００×Ｔ）
気孔容積率は、５０％以上に設定されることが好ましく、より好ましくは８０％以上である。こうした空隙の多い布地を使用することで、補強繊維シート材に熱可塑性樹脂材料が含浸する際にシート材内部の空気が布地の空隙を通って排気されて効率よく脱気を行うことができるので、ボイドの発生を抑止することが可能となる。布地に形成された空隙は、できるだけ均一に分布していることが好ましく、編組織又は織組織により布地の空隙の分布を制御することで、空隙が均一に分布した布地を得ることができる。また、編組織は、伸縮性を備えているため、熱可塑性樹脂補強シート材を３次元形状に形成する場合に、形状に合わせて空隙を保持した状態で伸縮することができる。特に、接着用熱可塑性樹脂材により補強繊維シート材に対して布地が部分的に接着された状態では、編組織の伸縮性が確保されて様々な３次元形状の成型を容易に行うことが可能となる。
空隙が均一に分布した布地としては、例えば、編地の場合には、以下のものが挙げられる。
（編地１）ナイロン６からなる糸（比重１．１４；２０デシテックス／１ｆ）を使用して、鎖編＋ハーフ編（糸配列○×；1in 1out）で編成した編地（目付１７．６ｇ／ｍ2、厚み０．２１ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約９２．７％となる。
（編地２）ナイロン６からなる糸（比重１．１４；２０デシテックス／１ｆ）を使用して、デンビー編＋鎖編＋挿入糸（糸配列オールイン）で編成した編地（目付１８．０ｇ／ｍ2、厚み０．２２ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約９２．８％となる。
（編地３）ナイロン６からなる糸（比重１．１４；２０デシテックス／１ｆ）を使用して、鎖編＋１×４サテン（糸配列◎×××；◎は２本入り）で編成した編地（目付１９．８ｇ／ｍ2、厚み０．２７ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約９３．６％となる。
（編地４）ナイロン６からなる糸（比重１．１４；２０デシテックス／１ｆ）を使用して、デンビー編＋サテン（糸配列オールイン）で編成した編地（目付５０．９ｇ／ｍ2、厚み０．２３ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約８０．６％となる。
また、織地の場合には、以下のものが挙げられる。
（織地１）ナイロン６６からなる糸（比重１．１４；１０デシテックス／５ｆ）を使用して、平織で織成した織地（目付１６．５ｇ／ｍ2、厚み０．１８ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約９２．０％となる。
（織地２）ナイロン６６からなる糸（比重１．１４；１５デシテックス／５ｆ）を使用して、平織で織成した織地（目付２６．２５ｇ／ｍ2、厚み０．２７ｍｍ）の場合には、気孔容積率は約９１．５％となる。
熱可塑性樹脂多層補強シート材を形成する場合には、熱可塑性樹脂補強シート材を積層して形成することができる。熱可塑性樹脂補強シート材を積層する場合、補強繊維シート材の繊維の引き揃えた方向を多軸となるように積層することで、シート材の強度を擬似等方性を有するものとすることができる。また、複数枚の熱可塑性樹脂補強シート材を積層して一体化する場合には、積層した熱可塑性樹脂補強シート材を密着させた状態で布地の溶融温度より低い温度で加熱して接着用熱可塑性樹脂材を溶融させ、隣接する熱可塑性樹脂補強シート材に滲み出して接着させることで、容易に一体化させることができる。布地に空隙が形成されているため、溶融した接着用熱可塑性樹脂材が隣接する熱可塑性樹脂補強シート材まで流動しやすくなり、効率的に熱可塑性樹脂多層補強シート材を製造することができる。また、こうした一体化の方法以外にも、隣接する熱可塑性樹脂補強シート材の間で布地を熱融着させたり、布地と同一材料の一体化用熱可塑性樹脂繊維束により縫着することで一体化することもできる。
また、上述した空隙の多い布地を付着させた熱可塑性樹脂補強シート材は、真空樹脂含浸製造方法（ＶａＲＴＭ法）に用いる素材としても好適である。例えば、経編地を付着させた熱可塑性樹脂補強シート材では、経方向の編目列の間の隙間が含浸する液状樹脂材料の流通路となって、シート材全体に満遍なく液状樹脂材料を含浸させることができる。そして、布地と補強繊維とが接着用樹脂材料により接着されているため、液状樹脂材料が流通する際に補強繊維が蛇行することなく繊維配向が維持されるようになる。
また、ＶａＲＴＭ法により繊維基材と熱可塑性樹脂補強シート材とを組み合わせて成型する場合、熱可塑性樹脂補強シート材の熱可塑性樹脂が層間に薄い熱可塑性樹脂層を形成して層間強化材となり、耐衝撃性を向上させることが期待できる。
補強繊維シート材は、例えば、複数の補強繊維がサイジング剤等によりばらけないように集束している補強繊維束を複数本、シート状に引き揃えて形成されている。補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、バサルト繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、金属繊維等のＦＲＰに用いられる高強度・高弾性率の無機繊維や有機繊維等が挙げられる。また、これらの繊維が集束した繊維束を複数組み合せてもよい。補強繊維シート材の繊度については特に限定されないが、目付を８０ｇ／ｍ2以下とすることが好ましく、より好ましくは、２０ｇ／ｍ2〜５０ｇ／ｍ2である。このように補強繊維シート材の目付を低く抑えることで、熱可塑性樹脂補強シート材のドレープ性を向上させるとともに布地が溶融した際に補強繊維シート材への含浸を満遍なく行うことができる。
補強繊維シート材の厚みを補強繊維の直径の１０倍以内にすることにより、成型品にする際、布地が補強繊維間を含浸のために流れる距離がより短くなる。複合材料の補強繊維として代表的な炭素繊維は単糸直径が０．００５〜０．００７ｍｍであるから、補強繊維シート材の厚さは０．０５〜０．０７ｍｍ以下となる。
このように薄く形成された補強繊維シート材では、布地が加熱溶融した場合に数秒程度で補強繊維束中に含浸することが期待され、短時間での成型加工が実現できるようになる。また、布地が溶融した熱可塑性樹脂材料が補強繊維間に含浸する際にその流れる距離を短くすることができるため、樹脂流れによる補強繊維の配向乱れが抑制され、補強繊維の均一分散性が向上した、ボイド（空隙）の少ない状態を得ることができる。気孔容積率が高く目付の低い布地の場合、フィルムのように熱可塑性樹脂材料が一様に連続分布していないものの全体として離散的に一様に分布しており、布地が溶融して補強繊維の間に拡がっていく際に流れる距離が短くなるため樹脂流れによる補強繊維の配向乱れが抑制されるようになる。
補強繊維シート材２の厚さを補強繊維の直径の１０倍以内の状態にするためには、集束本数の少ない繊維束を用いる方法、又は繊維束を開繊させる方法等がある。開繊による方法は、集束本数の多い繊維束（太繊度繊維束）を幅広く薄い状態にすることができる。太繊度繊維束は、比較的材料コストが安いため、低コスト成型品を得ることを可能とする。なお、原糸の状態で使用されているサイジング剤等の効果により、開繊糸の形態は安定する。
布地３を構成する熱可塑性樹脂繊維材料は母材（マトリックス）樹脂となるもので、熱可塑性樹脂材料を紡糸して繊維状にしたものを使用することができる。熱可塑性樹脂材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２等）、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ＡＢＳ)、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。また、これらの熱可塑性樹脂を２種類以上混合して、ポリマーアロイにして母材（マトリックス）樹脂として使用してもよい。熱可塑性樹脂繊維材料は、モノフィラメント、マルチフィラメント、紡績糸といった公知の形態の糸を使用することができ、マルチフィラメントで使用した場合には、布地を溶融する場合に溶融速度を高めることができる。そして、熱可塑性樹脂繊維材料の繊度は、５．６デシテックス〜８４デシテックスのものが好ましい。こうした繊度の小さいものを用いることで、空隙が多く目付の低い布地を形成することが容易となり、熱可塑性樹脂材料の減量化を図ることでＶｆ値に関連付けた調整が容易になる。また、繊度の小さい熱可塑性樹脂繊維材料を用いることで、布地に形成される空隙を細かくすることができ、熱可塑性樹脂繊維材料がより均一に分散するとともに補強繊維シート材の補強繊維に対する接着性を向上させることが可能となる。
布地３の目付（単位面積あたりの繊維重量）は、補強繊維シート材の目付及び成型品にしたときのＶｆ値と関連付けられて決められる。布地の目付は、使用する熱可塑性樹脂繊維材料の繊度、組織等により容易に調整することができる。ただし、補強繊維の間を流れる際の補強繊維の配向乱れを生じないようにするためには、流れる樹脂量を抑制することが必要となる。
目付２０ｇ／ｍ2〜５０ｇ／ｍ2の薄い補強繊維シート材を用いて、Ｖｆ値を３０％〜７０％に設定する場合には、布地の目付を５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2に設定すればよい。例えば、目付２０ｇ／ｍ2〜４０ｇ／ｍ2の薄い補強繊維シート材を用いて、Ｖｆ値を６０％に設定する場合には、布地を８ｇ／ｍ2〜２０ｇ／ｍ2の低目付に設定する。
こうした低い目付の布地を実現するためには、薄く空隙の多い編地を用いることができる。また、こうした低い目付の薄い編地では、空隙が一様に分散した形態を保持する経編が好適である。そして、経編を構成する編組織の一部に鎖編を用いることで、目ずれが発生しにくくカールの発生を防止することができ、本発明に係る布地に好適な安定した形態の編地を得ることが可能となる。また、織地の場合には、気孔容積率を５０％以上に設定可能な平織、からみ織等の織地を用いることができる。
また、布地を組織する熱可塑性樹脂繊維材料として複数の異なる種類の熱可塑性樹脂繊維材料を用いることで、布地を特性の異なる熱可塑性樹脂材料で構成することができ、様々な特性の熱可塑性樹脂補強シート材を得ることが可能となる。また、布地３を構成する熱可塑性樹脂線材料として、芯部が高融点の熱可塑性樹脂で鞘部が低融点の熱可塑性樹脂を組み合わせたものを用いることで、接着性熱可塑性樹脂材料を使用せずに布地３の形態を保持したまま補強繊維シート材に接着させることもできる。
接着用熱可塑性樹脂材４は、補強繊維シート材２に布地３を接着させ一体化させるもので、布地３の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化して、補強繊維シート材２と布地３を接着させることができる熱可塑性樹脂が用いられる。接着用熱可塑性樹脂材４は、布地３の片面に仮接着し、均一に離散していることが望ましい。これにより、補強繊維シート材２及び布地３を確実に接着させて、補強繊維シート材２に布地３を付着させた状態にすることができる。
接着用熱可塑性樹脂材４は、粉体形状、短繊維形状、穴開きフィルム形状（クモの巣形状）のいずれの形状を用いてもよく、布地３の片面の表面に離散的に一様に分布して仮接着できるものであれば、特に限定されない。
さらに、接着用熱可塑性樹脂材４として、融点が６０〜２５０℃の範囲にある樹脂が好ましく、例えば、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂。ポリアミド、共重合ポリアミド、ポリウレタン等が選択される。特に、共重合ポリアミドは、融点が低く、かつ母材となる布地３との接着性が良好であり、接着用熱可塑性樹脂材４として好ましい。さらに、接着用熱可塑性樹脂材４は、構成される布地３と相溶性が良いものを選択することが望ましい。これにより、母材となる熱可塑性樹脂材料に接着用熱可塑性樹脂材が溶融した際、母材となる熱可塑性樹脂材料に接着用熱可塑性樹脂材がなじみよく存在することができる。
接着用熱可塑性樹脂材４の付着量は、布地３の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2に設定することが望ましく、こうした少ない付着量でもドット状に離散的に分布させることで、全体に薄く均一に分布させる場合に比べて接着力を高めることができる。そして、接着用熱可塑性樹脂材４の使用量を少なくすることにより、得られる複合材料成型品の力学的特性、熱的特性に対して接着用熱可塑性樹脂材４が与える影響を小さくすることができる。
接着用熱可塑性樹脂材４は、布地３の片面の表面に離散的に一様に分布していることが望ましく、さらには、離散的に分布する接着用熱可塑性樹脂材４が均一であることがより望ましい。これにより、接着用熱可塑性樹脂材４の付着量が小さくても、補強繊維シート材２及び布地３を全体的に等しい接着力で一様に付着させることができる。補強繊維シート材２に布地３が付着することで、布地３に空隙が多い場合でも経方向及び緯方向に満遍なく補強繊維に接着しているため、補強繊維シート材２を構成する各繊維束の形態、つまり補強繊維の真直に引き揃った状態や均一に分散した状態等を維持することができる。
また、熱可塑性樹脂繊維材料からなる布地を用いることで、補強繊維シート材に対応して幅広で薄く形成することが容易にできるとともに熱可塑性樹脂材料の減量化を図ることができる。また、補強繊維シート材は、伸縮変形及び曲げ変形の容易な布地に対して付着しているので、薄く幅広の形態で真直性を保った状態に維持され、カール等の変形のない平面状のシートとしての形態を維持して取り扱いに優れた熱可塑性樹脂補強シート材を得ることができる。
そして、補強繊維シート材の目付及び成型品として設定するＶｆ値に対応させて布地の目付を容易に設定することができるので、薄く幅広の補強繊維シート材の場合でも高Ｖｆ値の熱可塑性樹脂補強シート材を得ることができる。
図３は、熱可塑性樹脂補強シート材の製造工程に関する説明図である。補強繊維束２ｔを開繊した補強繊維開繊糸Ｓを幅方向に引き揃えた補強繊維シート材２を形成し、布地３の片面に粉体状の接着用熱可塑性樹脂材４を散布して仮接着し、布地３の仮接着した片面を補強繊維シート材２の片面に当接して接着用熱可塑性樹脂材４により接着させて、熱可塑性樹脂補強シート材１を製造する工程に関する説明図である。なお、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は正面図である。
図３の熱可塑性樹脂補強シート材製造装置６００は、多数本繊維束供給機構６０１、多数本繊維束開繊機構６０２、縦方向振動付与機構６０３、幅方向振動付与機構６０４、加熱機構６０５、冷却機構６０６、布地供給機構６０７、離型用シート材供給機構６０８、離型用シート材巻き取り機構６０９、そして、補強シート材巻き取り機構６１０から構成される。
多数本繊維束供給機構６０１により、補強繊維束が巻かれた補強繊維束ボビン２ｂを複数本設置し、各補強繊維束２ｔをほぼ一定の張力で送り出すことができる。
供給された複数本の補強繊維束２ｔは、多数本繊維束開繊機構６０２により幅広く薄い状態に開繊される。本開繊機構は、風洞管を用いて各繊維束に一方向から流れる流体（図３では吸引空気流）を作用させる空気開繊方式、つまり、特表２００７−５１８８９０号公報に記載されている公知技術を採用している。なお、各補強繊維束２ｔを開繊させる方式であれば、どのような開繊方式を採用しても良い。
風洞管の内部には、ある間隔で２本以上の複数本の固定もしくは回転ロールが設置され、各補強繊維束２ｔは設置された当該ロールの上部、下部、上部、下部、…、上部に接触して走行する。各補強繊維束２ｔは、縦方向振動付与機構６０３により、緊張状態・弛緩状態・緊張状態・弛緩状態…が交互に与えられるため、風洞管内において、補強繊維束２ｔが弛緩状態になった時、ロール下部を走行する補強繊維束２ｔが空気の流れる方向に瞬間的にたわみ、各繊維が幅方向に移動して開繊が行われる。そして、補強繊維束２ｔが緊張状態になった時、開繊した状態でロール上部及び下部に押し付けられて接触走行するため、開繊幅を維持しながら繊維を真直させる。この状態を繰り返しながら補強繊維束２ｔは走行し、風洞管の直後において補強繊維開繊糸Ｓの状態になる。
この方法の採用により、補強繊維束２ｔを、構成する補強繊維が分散した幅広く薄い状態の補強繊維開繊糸Ｓに生産性良く加工することができる。無撚状態の炭素繊維束の場合、加工速度５ｍ／分以上で、原糸状態での幅の約２〜７倍に補強繊維の分散性良く開繊を行うことができる。
幅方向に複数本並んだ補強繊維開繊糸Ｓは、幅方向振動付与機構６０４により、幅方向に振動して各補強繊維開繊糸Ｓ間に隙間の無い開繊糸シート、つまり、補強繊維が分散し幅広く薄い状態となった補強繊維シート材２となる。
一方、布地供給機構６０７は、予め所定の目付で作成された布地３を供給ロールから繰り出し、布地３を図示せぬヒータにより予備加熱する。加熱温度は、粉体状の接着用熱可塑性樹脂材４の溶融温度より高く布地３の溶融温度よりも低くなるように設定される。加熱した布地３の表面に粉体散布装置８により粉体状の接着用熱可塑性樹脂材４が散布され、接着用熱可塑性樹脂材４が布地３の表面に付着して一部溶融することで仮接着される。なお、繰り出した布地３に接着用熱可塑性樹脂材４を散布した後布地３を加熱して仮接着させることもできる。
その後、布地３は、反転ロール１１を経た後、仮接着された片面を補強繊維シート材２の片面に貼り合わせ、加熱機構６０５の加熱ロール９に密着して走行する。加熱ロール９の加熱温度は、接着用熱可塑性樹脂材４の溶融温度より高く布地３の溶融温度よりも低くなるように設定されており、加熱ロール９により補強繊維シート材２の片面に布地３が接着用熱可塑性樹脂材４により接着した状態になる。なお、補強繊維シート材２と加熱ロール９の間には、離型用シート材供給機構６０８から離型用シート材７が供給される。そして、冷却機構６０６の冷却ロール１０を走行して、補強繊維シート材２の片面に布地３が付着した熱可塑性樹脂補強シート材１を得る。得られた熱可塑性樹脂補強シート材１は補強シート材巻き取り機構６１０により熱可塑性樹脂補強シート材巻体１ｂに巻き取られる。また、離型用シート材７は離型用シート材巻き取り機構６０９に巻き取られる。
接着用熱可塑性樹脂材４の付着としては、粉体状の接着用熱可塑性樹脂材を用いて粉体散布装置８にて布地３の表面に定量を均一に散布し離散的に付着させる方法以外に、接着用熱可塑性樹脂材を溶剤等で溶かして溶液状にして、溶液を布地３の表面に塗布し、溶剤を揮発させて補強繊維シート材又は熱可塑性樹脂シート材の表面に接着用熱可塑性樹脂材を付着させる方法等を用いることもできる。なお、接着用熱可塑性樹脂材４はシート材に離散的に一様に分布するように付着させることが好ましく、さらには、接着用熱可塑性樹脂材の付着量が、布地の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2となるように設定する。
図３に示す例では、補強繊維シート材の開繊工程に引き続いて布地の接着工程を行うようにしているが、開繊して得られた補強繊維シート材を一旦巻取りローラ等に巻取り、接着工程において巻取りローラから補強繊維シート材を繰り出して布地と接着させるようにすることもできる。
以下の材料を用いて熱可塑性樹脂補強シート材を製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維束に使用した繊維束）
東レ株式会社製；Ｔ７００ＳＣ−６０Ｅ、繊維直径約７μｍ、繊維本数１２０００本
（布地に使用した繊維材料）
ＩＮＤＡＣＨＩ社製；ＮＹＦ２０Ｄ−ＩＦＢＲ、融点２２０〜２４０℃
（接着用熱可塑性樹脂材に使用した樹脂）
東洋染工株式会社製；８ＨＳ（ポリアミド系樹脂粉末）、融点約１００℃
＜製造工程＞
（１）繊維材料を用いて、トリコット編機（カールマイヤ社製）により編成密度６５コース／インチで、上記の編地１と同様の布地を編成した。得られた布地は、幅３６０ｍｍで目付が約１８ｇ／ｍ2であり、気孔容積率は、約９２．７％であった。布地は供給ロールに巻取り、布地供給機構にセットした。
（２）布地供給機構から布地を繰り出して走行させながら、布地をヒータにより１２０℃に加熱し、粉体散布装置を用いて、接着用熱可塑性樹脂材を布地表面に離散的に一様に付着させ、布地の単位面積当たり約３．３ｇ／ｍ2の量を仮接着させた。
（３）図３に示す製造工程にて、補強繊維束を１２本、２４ｍｍ間隔でセットし、多数本を同時に空気開繊する多数本繊維束開繊機構及び縦方向振動付与機構にて、各々の補強繊維束を幅２４ｍｍの補強繊維開繊糸に開繊し、その後、補強繊維開繊糸を幅方向振動付与機構にて幅方向に振動させて、補強繊維開繊糸間に隙間がない補強繊維シート材を得た。得られた補強繊維シート材は、幅２８８ｍｍ、繊維目付（単位面積あたりの繊維重量）約３３ｇ／ｍ2であった。
（４）図３に示すように、得られた補強繊維シート材を布地と重ね合せるように搬送し、加熱ロールの加熱温度を１２０℃に設定して、補強繊維シート材の片面に布地の仮接着面を密着させながら約１０ｍ／分の走行速度で搬送させることで、熱可塑性樹脂補強シート材を製造した。
＜評価＞
得られた熱可塑性樹脂補強シート材は、まず、補強繊維シート材を構成する各補強繊維が真直な状態で均一に分散されていた。布地は接着ムラのない一様な接着状態で補強繊維シート材の全面に付着し、補強繊維開繊糸の形態を安定させていた。補強繊維シート材に割れや繊維集束は生じていなかった。また、得られた熱可塑性樹脂補強シート材はカールすることなく平面形状が維持されており、湾曲変形した場合でも柔軟性を有するとともに元の平面状態に戻る復元力を備え、取り扱いが良好であった。
得られた熱可塑性樹脂補強シート材をそのまま用いて成型品を成型した場合、Ｖｆ値は５０％となり、薄く幅広に形成された補強繊維シート材の場合でも高いＶｆ値を設定できることがわかる。
１・・・熱可塑性樹脂補強シート材、２・・・補強繊維シート材、３・・・布地、４・・・接着用熱可塑性樹脂材、７・・・離型用シート材、８・・・粉体散布装置、９・・・加熱ロール、１０・・・冷却ロール、１１・・・反転ロール、Ｓ・・・補強繊維開繊糸、６００・・・熱可塑性樹脂補強シート材製造装置、６０１・・・多数本繊維束供給機構、６０２・・・多数本繊維束開繊機構、６０３・・・縦方向振動付与機構、６０４・・・幅方向振動付与機構、６０５・・・加熱機構、６０６・・・冷却機構、６０７・・・布地供給機構、６０８・・・離型用シート材供給機構、６０９・・・離型用シート材巻き取り機構、６１０・・・補強シート材巻き取り機構

Claims (9)

  1. 複数の補強繊維が所定方向に引き揃えられてシート状に形成されるとともに目付が８０ｇ／ｍ2以下の補強繊維シート材と、繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地と、前記布地の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化するとともに前記補強繊維シート材及び前記布地を離散的に付着させる接着用熱可塑性樹脂材とを備えている熱可塑性樹脂補強シート材。
  2. 前記布地は、気孔容積率が５０％以上である請求項１に記載の熱可塑性樹脂補強シート材。
  3. 前記布地は、編地である請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂補強シート材。
  4. 前記補強繊維シート材は、断面厚さが前記補強繊維の直径の１０倍以内に設定されている請求項１から３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂補強シート材。
  5. 前記接着用熱可塑性樹脂材の付着量は、前記布地の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2である請求項１から４のいずれかに記載の熱可塑性樹脂補強シート材。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の熱可塑性樹脂補強シート材が複数枚積層して形成され、一体化されている熱可塑性樹脂多層補強シート材。
  7. 前記熱可塑性樹脂補強シート材は、前記補強繊維シート材の引き揃えられた方向がそれぞれ多軸となるように積層されている請求項６に記載の熱可塑性樹脂多層補強シート材。
  8. 繊度が５．６デシテックス〜８４デシテックスの熱可塑性樹脂繊維材料からなるとともに目付が５ｇ／ｍ2〜９０ｇ／ｍ2の布地を加熱して当該布地の溶融温度より低い温度で溶融又は軟化する粉体状の接着用熱可塑性樹脂材を当該布地の表面に離散的に仮接着させる仮接着工程と、
    複数の補強繊維を所定方向に引き揃えてシート状に形成された補強繊維シート材及び前記布地を当接させて、前記布地の溶融温度より低い温度で加熱して仮接着された前記接着用熱可塑性樹脂材を溶融させることで前記補強繊維シート材及び前記布地を付着させる付着工程と、
    を含む熱可塑性樹脂補強シート材の製造方法。
  9. 前記仮接着工程では、前記接着用熱可塑性樹脂材を前記布地の単位面積当たり１ｇ／ｍ2〜１０ｇ／ｍ2付着させる請求項８に記載の熱可塑性樹脂補強シート材の製造方法。
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