JP3991439B2 - 繊維強化プラスチックおよび繊維強化プラスチックの成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維からなる繊維強化プラスチック、さらに詳しくはトウ状の太い炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物を用いた繊維強化プラスチックとその成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は比重が小さくて引張強度が高くかつ引張弾性率も高く、それを樹脂で固めた炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼称する）は強度および弾性率の高い材料となり、先端複合材料と呼ばれている。
【０００３】
ところが、従来のＣＦＲＰは、たとえば３，０００フイラメントの細い炭素繊維糸条からからなり、炭素繊維糸条がたて方向とよこ方向に配列した、炭素繊維目付が２００〜４００ｇ／ｍ2 の薄い二方向性織物を、あらかじめ樹脂を含浸したプリプレグを多数枚積層してオートクレーブ成形して成形品を製造しているので、下記の状況から製造コストが高くなり、性能には優れるがその展開分野は航空機関連構造材やプレミヤム製品である高級なスポーツ用具などに限定され、一般産業分野への展開が困難となっていた。
【０００４】
Ａ．細い炭素繊維糸条は、炭素繊維の生産性が低くなる。
【０００５】
Ｂ．細い糸条で織物を製造するから、織物の生産性が低くなる。
【０００６】
Ｃ．織物が薄いから、所定の炭素繊維量を積層するには、積層枚数が多くなり、積層の手間が大きくなる。
【０００７】
Ｄ．プリプレグ工程が必要となるので、プリプレグの加工コストが加わる。
【０００８】
Ｅ．オートクレーブが必要となり、大きな設備投資が必要となる。
【０００９】
コストダウンを図るため、従来の炭素繊維織物を成形型のなかに積層し常温硬化型の樹脂を加圧で注入するレジン・トランスファー成形法とか、これらを型の上に積層してバッグフイルムで覆い、その中を真空状態となし、常温硬化型の樹脂を注入する、いわゆる真空バッグ成形法がある。この方法は上記のＤ項およびＥ項によるＣＦＲＰのコストはかなり削減されるが、Ａ項、Ｂ項およびＣ項によって、成形されるＣＦＲＰ製品は高価なものとなる。
【００１０】
一方、従来の炭素繊維糸条を用いて、炭素繊維目付の大きな炭素繊維織物を使うことも考えられるが、下記の問題がありほとんど実用化されるには至っていない。
【００１１】
Ｆ．たて方向とよこ方向の２方向に炭素繊維が配列した２方向織物にすると炭素繊維目付の大きな織物にすることができるが、たて糸とよこ糸による交錯によって織糸の屈曲（クリンプ）が大きくなるので、ＣＦＲＰに成形すると、応力集中により強度および弾性率が低くなってしまう。
【００１２】
Ｇ．一方向に配列した織物はクリンプによる強度低下はきたさないが、炭素繊維糸条が一方向のみに配列するから、織物の炭素繊維目付を大きくすると、繊維密度が大きいなり、単繊維間の隙間が小さくなる。したがって、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などの成形法では樹脂の流れが悪くなり、樹脂注入に時間がかかるし、炭素繊維織物への樹脂の含浸性が悪くなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような現状に着目し、トウ状の太い炭素繊維糸条を用いても樹脂の含浸性に優れていて、成形されたときに機械的特性に優れる安価な炭素繊維織物を使用することにより、機械的特性に優れる安価で繊維強化プラスチックを提供することにある。さらに、前記の織物を使用しての繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと呼称する）の成形方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基本的には下記の構成を有する。
即ち、本発明の繊維強化プラスチックは、積層された繊維基材を樹脂で強化してなる繊維強化プラスチックであって、前記繊維基材の少なくとも１層がトウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡していることを特徴とするものである。
また、本発明の繊維強化プラスチックの成形方法は、トウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡している炭素繊維織物を、繊維基材として少なくも１層以上成形型に積層し、その上に樹脂を面方向に拡散するための媒体を置いたのち、繊維基材および媒体の全体をバッグフイルムで覆い、つぎにバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、積層された繊維基材の片面に常温硬化型樹脂を拡散させ、繊維基材に該樹脂を含浸することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に使用する炭素繊維糸条は、４０，０００〜４００，０００本のマルチフイラメントが集束してトウ状となすもので、好ましくは、炭素繊維の単糸径が５〜１５ミクロンであり、炭素繊維糸条の繊度は２５，０００〜３５０，０００デニールである。このような炭素繊維糸条は、たとえばポリアクリロニトリル繊維のトウを耐炎化、炭化処理した後、サイジング剤を付着させて集束することによって製造することが出来る。トウは太い糸条として製造することが出来るから、ポリアクリロニトリル繊維や耐炎化、炭化の炭素繊維の製造工程での生産性を向上させ、安価な炭素繊維糸条を製造することが可能となるのである。
【００１７】
また、炭素繊維糸条のフイラメントが４０，０００本以下、糸条の繊度が２５，０００デニール以下であると、糸条が比較的細くなるから樹脂の含浸性の点では好ましいが、さほど炭素繊維糸条のコストダウンが期待されない。また、炭素繊維糸条のフイラメントが４００，０００本以上、糸条の繊度が３５０，０００デニール以上であると炭素繊維糸条は安価となるが糸条が太くなるので、糸条の中央部までの距離が大きくなるので、糸条の周囲から進む樹脂の含浸が不完全となるので好ましくない。
【００１８】
また、本発明の炭素繊維は、ＪＩＳ Ｒ７６０１法による引張強度は３〜４ＧＰａで引張弾性率は２００〜３００ＧＰａ程度であり、また織物製造工程での製織操作を向上させるため０．５〜２重量％程度のサイジング剤を付着させると好ましい。また、織物を構成する炭素繊維糸条に撚が掛かっていると、撚による炭素繊維束の集束部が樹脂の含浸が阻害されるので、無撚であることが好ましい。
【００１９】
なお、本発明では糸条を構成する炭素繊維同士を交絡させておく。炭素繊維同士の交絡が無く、炭素繊維同士が並行に真直ぐに配列した糸条は、炭素繊維の屈曲が無くて応力集中しないから、成形した時の強度発現性がよく高強度となるが、炭素繊維間に隙間が無く密に繊維が詰まった状態となり、また糸条が太いから、糸条の中央部までの距離が大きくなるので、なかなか中央部まで樹脂が到達しなく、含浸性が悪くなる。炭素繊維同士を交絡させておくと、炭素繊維同士の交差によって炭素繊維間に隙間を設けることができるから、炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、織物の炭素繊維糸条に樹脂を含浸させやすくなる。この炭素繊維の交絡度合をフックドロップ値ＦＤ(15)で表し、このフックドロップ値ＦＤ(15)が３０ｃｍ以下の交絡度合が好ましい。フックドロップ値ＦＤ(15)が３０ｃｍ以上であると繊維の交絡度合いが小さく、樹脂の含浸性を改善するまでには至らない。また、フックドロップ値ＦＤ(15)が２ｃｍ以下であると炭素繊維の交絡が大きくなり、炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、炭素繊維間の隙間が多くなり樹脂が含浸されやすくなるが、炭素繊維の屈曲が大きくなるから、ＦＲＰにしたとき応力集中をもたらし強度が低下してしまう。フックドロップ値ＦＤ(15)が２〜３０ｃｍの範囲、より好ましくは２〜１０ｃｍの範囲であると適度な樹脂の含浸性が与えられ、またＦＲＰにしたとき高強度となる。
【００２０】
ただし、フックドロップ値はあくまで交絡度合を示すための指標に過ぎず、たとえフックドロップ値を直接測定することが困難だったり不可能であっても他の測定手段で測定してその値を適当な方法でフックドロップ値に換算して、前記数値範囲で有れば良い。
【００２１】
本発明においてフックドロップ値ＦＤ(15)とは、織物を構成する炭素繊維糸条の繊維の交絡の程度を表すのもで、図６〜８に示す測定装置によって測定した金属フックの自由落下距離をもって表されるものである。
【００２２】
織物の炭素繊維糸条のフックドロップ値ＦＤ(15)は、幅１，０００ｍｍ、長さ１，０００ｍｍの織物を３枚抽出し、各織物からたて糸またはよこ糸を毛羽が発生しないように、また撚が加わらないようにほぐして、長さ１，０００ｍｍの炭素繊維糸条を採集する。ほぐした炭素繊維糸条の繊維配列状態が乱れないように脱サイジング処理を行い、この上端を上部クランプ１０４で装置に固定する。なお、固定する糸条の幅、すなわち糸条の厚みがフックドロップ値に影響するので、固定する糸条の幅Ｂ（ｍｍ）と糸条繊度Ｄ（デニール）との関係を下記の式に従うようにし、糸条の厚みが均一になるように上部クランプ１０４固定した。
【００２３】
糸条の幅Ｂ＝４×１０-4×Ｄ
次に、下端に４ｍｇ／デニールの荷重をかけた状態で、撚が加わらないように掴み間隔が９５０ｍｍになるように下部クランプ１０５で鉛直方向に固定する。
【００２４】
次に、上下端を固定した炭素繊維糸条１０１の幅方向中央部に、金属フック１０２（ワイヤー直径：１ｍｍ、半径：５ｍｍ）に綿糸１０６で重り１０３を取り付けた重錘（フック１０２の上端から重り１０３の上端までの距離：３０ｍｍ）のその金属フック１０２を上部クランプの下端から金属フック１０２の上端までの距離が５０ｍｍになるように引っ掛け、手を離して金属フック１０２の自由落下距離（上記５０ｍｍの位置から、落下位置における金属フック１０２の上端までの距離）を測定する。金属フック１０２および綿糸１０６の重量は極力軽くし、金属フック１０２、綿糸１０６および重り１０３の合計重量、すなわち重錘の重量が１５ｇになるようにしておく。フックドロップ値ＦＤ(15)は、１枚の織物のたて糸またはよこ糸について１０回の測定を行い、ｎ＝３０の平均値をもって表す。なお、金属フック１０２が下部クランプ１０５の位置まで落下してしまう場合もあるが、そのときの自由落下距離は９００ｍｍとみなす。そのためには、下部クランプ１０５に金属フック１０２は当たるが綿糸１０６や重り１０３は引っ掛からないようにしておく必要があり、図８にこの場合の落下状態を示すように、下部クランプ１０５の下方に十分な空間を設けておく必要がある。なお、測定は織物を温度２５℃、相対湿度６０％の環境下に２４時間放置した後、温度２５℃、相対湿度６０％の環境下で行う。
【００２５】
なお、炭素繊維糸条にサイジング剤が付着している場合は、サイジング剤の付着量や付着状態によって金属フックの自由落下距離が影響を受けるから、完全にサイジング剤を除去してから本測定を行う。たとえば、サイジング剤は７００℃の窒素雰囲気中で１時間加熱処理することによって除去することが出来る。また、炭素繊維糸条にプリプレグあるいはＣＦＲＰの樹脂が付着乃至は含浸している場合も、金属フックの自由落下距離が影響を受けるか、殆ど測定ができないから、完全にこれらの樹脂を除去してから本測定を行う。たとえば、ビニルエステル樹脂ならば７００℃の窒素雰囲気中で５時間加熱処理することによって除去することが出来る。
【００２６】
また、本発明の炭素繊維織物は、嵩密度が０．６５ｇ／ｃｍ3 以下であることが好ましい。嵩密度が０．６５ｇ／ｃｍ3 以下であると炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、炭素繊維間の隙間が多くなり樹脂が含浸されやすくなり、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形のみならずハンドレイアップ成形でも樹脂含浸が可能となる。
【００２７】
本発明において嵩密度Ｖとは、下記の算出式で計算される値をいう。
【００２８】
Ｖ＝ｗ／（ｔ×Ａ）
ここで、ｔ：織物の厚さ（ｃｍ）
Ａ：織物の面積（ｃｍ2 ）
ｗ：織物の面積Ａにおける炭素繊維重量（ｇ）
なお、織物の厚さの測定方法は、ＪＩＳ Ｒ ７６０２ ５．６項の、厚さ測定器がダイヤルゲージ法に準じた。ただし、荷重は３ｋＰａとし、織物を５枚重ね合わせて、荷重をかけてから２０秒経過後の値を読取り、織物枚数で割り、１枚あたりの厚さとした。なお、一方向性織物の場合は、補助糸であるよこ糸が織物の厚さに及ぼす影響を極力少なくなるように、織物の重ね合わせは、重ね合わせる織物のよこ糸の位置が互いにずれるように織物を重ね合わせた。
【００２９】
本発明の具体的な実施態様を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示しており、図において、２は炭素繊維糸条で、多数本の炭素繊維糸条がたて方向に並行に配列し、よこ方向の補助糸３が炭素繊維糸に交錯している、いわゆる一方向性織物である。
【００３０】
図２は、本発明の炭素繊維織物の他の実施態様を示しており、たて方向に、実質的に屈曲（クリンプ）を有しない炭素繊維糸条２を一方向性に互いに並行かつシート状に引き揃えてなる糸条群ロのシート面の両側によこ糸補助糸３の糸条群ニが位置し、それらよこ糸補助糸群と、炭素繊維糸条群と並行するたて方向補助糸４の糸条群ハとが織組織をなして糸条群を一体に保持している、一方向性炭素繊維織物である。このような織物はたて方向の炭素繊維糸条に屈曲（クリンプ）を有しないので、成形してＣＦＲＰにしても応力が集中するようなことはなく、高い強度となる。
【００３１】
本発明に使用する補助糸は、本質的にはＦＲＰなったときに荷重を負担させるものではなく、織物の形態保持に使用するものであるから、１００〜２，０００デニール程度で、炭素繊維糸条に比べて細い糸が好ましい。とくに、１００〜５００デニールと炭素繊維糸条に比べ極端に細く、また、よこ糸密度が０．５〜８本／ｃｍ程度であると、よこ糸の補助糸による炭素繊維糸条の拘束が弱くなるので、嵩高な織物となる。なお、補助糸は、織物の寸法安定性や目どめ処理の際の加熱による収縮を防止する点から、１５０℃における乾熱収縮率が０．１％以下のものが好ましい。そのような補助糸を構成する繊維としては炭素繊維、ガラス繊維やポリアラミド繊維などである。
【００３２】
上記一方向性織物において、炭素繊維の目付が４００〜２，０００ｇ／ｍ2 程度にすると積層の枚数が少なくてよいから、成形の際の繊維基材の積層の手間が少なくなり、成形の省力化に繋がる。
【００３３】
また、炭素繊維糸条間に０．２〜２ｍｍ程度の隙間を設けておくと、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などの、成形型やバッグフイルムに密閉された繊維基材に樹脂を注入して成形する際に、糸条間の隙間が樹脂の流路となり、樹脂の注入時間が短縮され、成形の効率化に繋がる。
【００３４】
とくに、一方向性織物において、炭素繊維糸条のフイラメント数が４０，０００〜１００，０００本、糸条繊度が３０，０００〜７０，０００デニールであり、炭素繊維の目付が４００〜７００ｇ／ｍ2 であると、樹脂粘度が２〜７ポイズの常温硬化型樹脂でのハンドレイアップ成形でも炭素繊維織物は嵩高となっているので、通常の含浸ローラ掛けで十分樹脂含浸が可能である。
【００３５】
図３は、本発明の炭素繊維織物の他の実施態様を示しており、炭素繊維糸条２がたて方向とよこ方向の二方向に配列した二方向性炭素繊維織物である。
【００３６】
なお、本発明の炭素繊維織物は炭素繊維糸条が太いので、織物を構成する糸条本数が少なくなる。したがって、よこ糸との交錯点数が少なくなり、裁断した際に炭素繊維糸条がほつれ、作業性が悪くなる。
【００３７】
したがって、本発明の一方向性の炭素繊維織物では、図１および図２に示すように、よこ方向の補助糸のその長さ方向に線状または点状に延びる低融点ポリマー５を付着させ、この低融点ポリマーが互いに直交する糸、すなわちたて方向の炭素繊維糸条または炭素繊維とたて方向補助糸がとの交点において接着している、いわゆる目どめ織物であることが好ましい。なお、図１および図２では低融点ポリマーがよこ方向の補助糸に付着した例を示したが、たて方向の炭素繊維糸条および／またはたて方向補助糸に付着させててもよいし、またはたて方向の炭素繊維糸条および／またはたて方向補助糸とよこ方向の補助糸に付着させてもよい。
【００３８】
また、図３に示すように、二方向性の炭素繊維織物において、よこ方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマー５を付着させて、そのポリマーでたて方向の炭素繊維糸条が互いに接着されていてもよい。または、たて方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマーを付着させてもよいし、たて方向とよこ方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマーを付着させてもよい。
【００３９】
このように目どめされた織物は、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などでは、織物を裁断し成形型に積層するが、裁断の際、糸条のほつれが防止でき、成形の作業性が大幅に向上する。
【００４０】
また、低融点ポリマーの付着量は、多いと樹脂含浸を阻害したり、ＣＦＲＰの機械的性質を低下させるので、６ｇ／ｍ2 以下が好ましい。ただし、０．５ｇ／ｍ2 未満であると目どめ効果が薄れるので、０．５〜６ｇ／ｍ2 が好ましい。
【００４１】
一方向性炭素繊維織物の場合、これら低融点ポリマーが細い補助糸に多量に付くと、補助糸は基本的には補強を担わせていないが、破壊の起点が補助糸から始まるので、これらを防止するには、低融点ポリマーの付着量が補助糸の４０重量％以下が好ましい。
【００４２】
本発明に用いる低融点ポリマーは、通常、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、共重合ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタンから選ばれたものである。なかでも、低温でポリマーを溶融でき、かつ接着力が強く、僅かな使用量で期待する目どめ効果が得られることから共重合ナイロンがとくに好ましく用いられる。
【００４３】
本発明の繊維強化プラスチックおよび繊維強化プラスチック構造体は、強化繊維基材のすべてが本発明の炭素繊維織物の単層又は多層の積層体であって、樹脂が含浸して繊維強化されたものであってよいが、少なくとも、繊維基材の少なくとも１層が本発明の炭素繊維織物であって、ガラス繊維やポリアラミド繊維などの他の強化繊維からなる基材と組み合わせることが出来る。
【００４４】
本発明の繊維強化プラスチックに用いる樹脂は、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂やナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂などの熱可塑性樹脂である。
【００４５】
本発明の繊維強化プラスチックは、繊維基材として嵩高で樹脂含浸性が良く、かつ高目付な炭素繊維織物を使用しているから、機械的特性に優れて安価なＦＲＰとなる。
【００４６】
本発明の炭素繊維織物は、従来から知られている方法でＦＲＰを成形することが出来るが、なかでもレジン・トランスファー成形法や真空バッグ成形法では大型の成形品が安価に製造することが出来るので、好ましく用いられる。
【００４７】
ついで、本発明によるＦＲＰの成形法を説明するに、図４は本発明のＦＲＰの成形法を説明する一実施例の断面図である。図４において、成形型６の上に、繊維基材として本発明の炭素繊維織物７が所定の方向に所定の枚数が積層され、その上に樹脂が硬化した後に引き剥がして除去するシート、いわゆるピールプライ８を積層し、その上に樹脂を繊維基材の全面に拡散させるための媒体９を置く。繊維基材の周囲には、真空ポンプの空気の吸引口１０を取り付けた、エッジ・ブリーザ１１として織物など多孔性の材料を多数枚積層して張り巡らし、それら全体をバッグ・フイルム１２で覆い、空気が漏れないようにバッグ・フイルムの周囲をシール材１３で成形型に接着させる。バッグ・フイルムの上部に樹脂タンクからの注入される樹脂の吐出口１４を取り付け、吐出口の取り付け部から空気が漏れないようにシール材１３で接着する。樹脂タンクには、硬化剤を所定量入れた常温でシロップ状の常温硬化型の熱硬化性樹脂を入れておく。ついで、真空ポンプでバッグ・フイルムで覆われた繊維基材を、真空圧力が７００〜７６０Ｔｏｒｒ程度の真空状態にしたのち、バルブ１５を解放して樹脂を注入する。バッグ・フイルムで覆われた中が真空状態であり、繊維基材の厚さ方向より媒体の面方向が樹脂の流通抵抗が小さいから、まず樹脂は媒体の全面に拡がったのち、ついで繊維基材の厚さ方向の含浸が進行する。この方法であると樹脂の含浸しなければならない距離は、繊維基材積層体の厚さでよいから、樹脂含浸が非常に早くて完了する。なお、真空ポンプは少なくとも樹脂の含浸が完了するまで運転し、バッグ・フイルムの中を真空状態に保つことが好ましい。樹脂含浸完了後、バルブを閉口し室温に放置して樹脂を硬化させる。樹脂の硬化後、ピールプライを剥いで、媒体やバッグ・フイルムを除去し、成形型から脱型することによってＦＲＰ成形品が得られる。
【００４８】
本発明に使用する媒体９の一例を図５に示したが、媒体はバッグ内の真空圧力を繊維基材に伝え、かつ注入される樹脂を媒体の隙間を通して、媒体側の繊維基材上面の全体に樹脂を行き渡らせるものである。すなわち、バッグ・フイルムとピールプライ間に位置する媒体に樹脂が注入されると、図５において、注入された樹脂はバッグ・フイルムに接するＡ群のバー１６の間隙を流れてバー１６の方向とＢ群の矩形断面のバー１７の間隙を流れてバー１７の方向に流れるから全面に樹脂が拡散することとなる。また、バー１６にかかる力をバー１７に伝えることが出来るから真空圧力を繊維基材に伝えることが出来るのである。バーの太さは特に限定されるものではないが、０．２〜２ｍｍが好ましい。又、間隙の幅は０．２〜２ｃｍが好ましい。媒体の具体的なものとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニルや金属などからなるメッシュ状のシートで、たとえば、メッシュ状樹脂フイルム、織物、網状物や編物などであり、必要に応じてこれらを数枚重ねて使用することが出来る。
【００４９】
なお、上記は媒体を繊維基材積層体の上面の一面に設置する場合について説明したが、繊維基材積層体が厚い場合は、繊維基材積層体の下面と上面に設置して、繊維基材積層体の両面から樹脂含浸をおこなうことも出来る。
【００５０】
また、本発明の炭素繊維織物を含む繊維強化プラスチックと前記繊維強化プラスチック以外の成形材からなり、繊維強化プラスチックと成形材が繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂で接着し、かつ繊維強化プラスチック側の成形材に設けた溝にも前記マトリックス樹脂が充填されて成形材と接着していることを特徴とする繊維強化プラスチック構造体は、以下の方法により得ることができる。即ち、表面に樹脂の流路となる溝を有する成形材の上に繊維基材を積層し、さらに、全体的をバックフィルムで覆い、次にバックフィルムで覆われた内部を真空状態にし、繊維基材と接している成形材の溝から樹脂を拡散させ、積層された繊維基材に常温硬化型熱硬化性樹脂を含浸させながら繊維基材と成形材とを一体化させることも出来る。この方法によれば、溝により、樹脂の拡散が容易であるだけでなく、ＦＲＰを表皮材とし、成形材と一体化した繊維強化プラスチック構造体を簡単に成形することが出来る。
【００５１】
図９は、本発明のＦＲＰの成形方法を説明する断面図である。図９において、成形型６の上に、繊維基材としての炭素繊維織物７を成形材１８に所定の枚数巻き付けたブロック１９を必要個数分を配置し、それら全体をバッグ・フイルム１２で覆い、空気が漏れないようにバッグ・フイルムの周囲をシール材１３で成形型６に接着させる。なお、成形材の１例を図１０に示すが、成形材の上面Ｃ、下面Ｄ、側面Ｅおよび正面Ｆには樹脂の流路となる溝２０が設けられている。
【００５２】
真空ポンプで吸引口からバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、吐出口から繊維強化プラスチックのマトリックスとなる樹脂を流し込むと、樹脂が成形材の上下面および側面に設けられた流動抵抗の小さな溝を伝って成形材の全体に行きわたり、その後繊維基材への樹脂含浸が行われる。
【００５３】
ついで、常温で樹脂が硬化すると、成形材の溝にマトリックス樹脂が充填されて、成形材の溝とマトリックス樹脂が接着し、同時に繊維強化プラスチックとマトリックス樹脂が接着し、本発明の繊維強化プラスチック構造体が得られる。
【００５４】
本発明の繊維強化プラスチック構造体によれば、繊維強化プラスチックと成形材の接着が単なる繊維強化プラスチックと成形材面のみならず、成形材の溝とマトリックス樹脂とも接着しているので接着面積が大きくなり、繊維強化プラスチックと成形材の一体化が強固となる。
【００５５】
なお、成形材の溝の断面形状は矩形、台形や半球形などであり、これら断面形状や断面寸法は樹脂の流動性や繊維強化プラスチックと成形材の接着度合いによって適宜決めることが出来る。なかでも、断面形状が成形材に対してくさび型となるような台形にすると、繊維強化プラスチックと成形材の接合はより強固なものとなる。
【００５６】
本発明に使用する成形材は、有機系あるいは無機系の発泡体であると、得られる成形体が軽くなるので好ましく用いられるが、発泡していない樹脂板や無機系の板、または金属板や木材やであってもよい。有機系あるいは無機系の発泡体としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、シリコーン、イソシアヌレート、フェノール、アクリル樹脂のフォームや軽量気泡コンクリート、珪酸カルシュームフォームや炭酸カルシュームフォームなどがあげられる。
【００５７】
なお、成形材の圧縮強さは、１．０ｋｇｆ／ｃｍ2 以上が好ましい。圧縮強さが１．０ｋｇｆ／ｃｍ2 以下であると、成形時に真空バッグする際真空減圧され、成形材の潰れが発生してしまうので好ましくない。
【００５８】
上記に記載した成形法は、大きくは真空バッグ成形法の範疇に入るが、樹脂注入と同時に樹脂を繊維基材積層体の全面に拡散させる点で、従来の真空バッグ成形法とは異なり、とくに大型のＦＲＰ成形品の成形に用いると好適である。
【００５９】
本発明の炭素繊維織物は１枚あたりの繊維目付が大きいにも拘らず、この織物の炭素繊維同士が交絡していて嵩高で、繊維間に隙間がある、また、本発明の成形方法によれば、樹脂の流れやすい繊維基材積層体の面方向に全面に樹脂が拡がり、繊維基材積層体の厚さ方向に樹脂含浸が進むから、積層の手間が少なくなるのみならず、樹脂の含浸が完全に行われ、また樹脂の注入時間も少なくなり、作業性が向上する。
【００６０】
なお、本発明に使用する繊維基材は、全てが本発明の炭素繊維織物である必要はなく、少なくとも１層以上用いればよい。その他の繊維基材は、たとえば通常の炭素繊維織物や、また他の強化繊維、たとえばガラス繊維やポリアラミド繊維からなる織物やチョップド・ストランド・マット、コンティニュアス・ストランド・マットであってもよいし、これら強化繊維糸を並行に配列したシートを０゜（繊維基材の長さ方向）、９０゜（繊維基材の幅方向）や±４５゜（繊維基材の斜め方向）に積層され、これをガラス繊維、ポリエステル繊維やポリアラミド繊維などのステッチ糸で縫合した多軸ステッチ布帛であってもよい。
【００６１】
とくに、繊維基材の組み合わせが、本発明の一方向性炭素繊維織物と多軸ステッチ布帛であると、ＦＲＰ構造体の補強が必要な方向を一方向性炭素繊維織物で荷重を担わせ、その他の方向は多軸ステッチ布帛で荷重を担わせると、これら繊維基材は、布帛形成のための炭素繊維糸条同士およびその他の強化繊維糸条同士の交錯がなく、かつ曲がること無く真直ぐに繊維配向しているから、また繊維体積含有率も大きくなるからＦＲＰにしたとき機械的性質に優れる。また、糸条同士の交錯によって、炭素繊維またはその他の強化繊維が締め付けられることもないので、本発明の真空バッグ成形でも樹脂は十分に含浸させることが出来るし、含浸速度を早くすることができる。
【００６２】
本発明の成形に用いる樹脂は、常温で液状の常温硬化型の、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂である。なお、使用する樹脂の粘度は、樹脂の含浸性や含浸速度の点から低粘度樹脂が好ましく、０．５〜１０ポイズ程度、より好ましくは０．５〜５ポイズの範囲である。なかでもビニルエステル樹脂は、樹脂を低粘度とすることができることや、樹脂伸度を３．５〜１２％大きくすることが出来るので、成形性に優れるのみならず、強度が高く、耐衝撃性にも優れるので、好ましく用いられる。
【００６３】
本発明の成形に用いるピールプライは、樹脂が硬化した後にＦＲＰから引き剥がして除去するシートであるが、樹脂を通過させることができることが必要であり、ナイロン繊維織物、ポリエステル繊維織物やガラス繊維織物などである。なお、ナイロン繊維織物やポリエステル繊維織物は安価であるため好ましく用いられるが、これら織物を製造する際に用いられている油剤やサイジング剤がＦＲＰの樹脂に混入するのを防ぐため、精練を行い、また常温硬化型樹脂の硬化発熱による収縮を防ぐため、熱セットされた織物を使用することが好ましい。
【００６４】
本発明の成形に用いるエッジ・ブリーザは、空気および樹脂を通過させることができることが必要であり、ナイロン繊維織物、ポリエステル繊維織物、ガラス繊維織物やナイロン繊維、ポリエステル繊維からなるマットを使用することができる。
【００６５】
また、本発明の成形に用いるバッグ・フイルムは、気密性であることが必要でありナイロンフイルム、ポリエステルフイルムやＰＶＣフイルムなどである。
【００６６】
【実施例】
（炭素繊維織物Ａ）
フイラメント数が７０，０００本、繊度が５２，０００デニール、フックドロップ値が６．３ｃｍのトウ状のマルチフイラメントの炭素繊維糸条をたて糸とし、６０８デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸とし、たて糸密度が０．８７本／ｃｍ，よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が５０３ｇ／ｍ2 の目どめ処理した炭素繊維織物Ａを作製した。なお、目どめ処理は、ガラス繊維糸のよこ糸の挿入は低融点の５０デニールの共重合ナイロン糸と引き揃えて行い、よこ糸挿入後、織機上に取り付けた遠赤外線ヒータで共重合ナイロン糸を溶融し、炭素繊維糸条とガラス繊維糸を接着する方法で行った。得られた織物は、炭素繊維糸条内で炭素繊維同士が絡み合っていることもあって嵩高であり、織物の厚さは１．１ｍｍであった。また、目どめ処理を行っているので、織物の密度が粗いにもかかわらず、目ずれするようなことはなく、織物形態は安定していた。また、織物の加工速度を炭素繊維の１時間あたりの加工処理重量で示したが、炭素繊維糸条がトウ状で太いから、１時間あたり１５ｋｇの炭素繊維が加工でき、安価に製造することが出来た。
【００６７】
（炭素繊維織物Ｂ）
比較のために、フイラメント数が１２，０００本、繊度が７，２００デニール、フックドロップ値が４２．０ｃｍのマルチフイラメント糸を７本引き揃えて、フイラメント数が８４，０００本、繊度が５０，４００デニールの糸条をたて糸とし、６０８デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸し、たて糸密度が０．８９本／ｃｍ，よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が５００ｇ／ｍ2 の炭素繊維織物Ｂをモデル的に作製した。得られた織物は、炭素繊維糸条内で炭素繊維が並行に配列し、繊維同士の絡み合いがほとんどないので、繊維が密に集束し、織物の厚さは０．８ｍｍであった。また、織物の密度が粗く、目どめ処理を行っていないので、簡単に目ずれし、織物形態は不安定であった。一方、織物の加工速度は、たて糸の炭素繊維糸条が太く、１時間あたり１５ｋｇと織物Ａと同じであった。
【００６８】
（炭素繊維織物Ｃ）
また、比較のために、フイラメント数が６，０００本、繊度が３，６００デニール、フックドロップ値が１５．７ｃｍのマルチフイラメント糸をたて糸とし、２０２．５デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸し、たて糸密度が６．３本／ｃｍ、よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が２５２ｇ／ｍ2 の炭素繊維織物Ａに比べ炭素繊維目付がほぼ半分の炭素繊維織物Ｃを作製した。なお、織物Ｃは織物Ａと同じ条件で目どめ処理を行った。一方、織物の加工速度は、１時間あたり７．５ｋｇと織物Ａの半分程度と遅かった。
【００６９】
表１に炭素繊維織物Ａ〜Ｃの要約を示した。
【００７０】
【表１】
次に、上記の炭素繊維織物を使用して、下記のハンドレイアップ成形法（成形法Ａ）および本発明の成形法（成形法Ｂ）の２通りの方法で成形を行った。
【００７１】
成形法Ａ；
たて糸方向に５０ｃｍ、よこ糸方向に３０ｃｍに裁断した２枚の本発明の炭素繊維織物Ａを使用し、まず１層目の織物に樹脂粘度が３ポイズの常温硬化型ビニルエステル樹脂を織物Ａに均一に塗布した後、溝付きの脱泡ローラで脱泡作業を行い、次に２層目の織物をたて糸の炭素繊維糸条の方向が同じになるように積層し、１層目と同様に樹脂の塗布および樹脂含浸を行い、２０℃の室温に放置して樹脂を硬化させ、硬化板Ａを作製した。
【００７２】
同様に、比較のために炭素繊維織物Ｂを使用し、その他は硬化板Ａと同じ方法で硬化板Ｂを作製した。
【００７３】
成形した硬化板の厚み、およびその断面観察による樹脂含浸状態の調査結果および引張強度、弾性率の測定結果を表２に示した。なお、引張特性は織物Ａと織物Ｂに使用した炭素繊維の特性が異なるので、硬化板の特性が使用した炭素繊維に対してどの程度発揮されているか、つまり利用率で示した。
【００７４】
【表２】
本発明の炭素繊維織物Ａを使用した硬化板Ａは、炭素繊維糸条内で炭素繊維同士が絡み合って織物は嵩高であるため若干厚くなったが、炭素繊維糸条が太いにもかかわらず硬化板での樹脂含浸は十分行われていた。したがって、引張特性の強度利用率は引張強度が９２％、引張弾性率は１００％と、ほぼ織物にする前の炭素繊維の特性が発現した。
【００７５】
これに対して、炭素繊維織物Ｂを使用した硬化板Ｂは、炭素繊維糸条内で炭素繊維同士の絡み合いが無く、繊維が密に詰まっているため硬化板での樹脂含浸は十分に行われていなく、とくに炭素繊維糸条の中央部で未含浸部があった。したがって、引張特性の強度利用率も引張強度が７２％、引張弾性率は９０％と、炭素繊維の特性が十分に発現していなかった。
【００７６】
成形法Ｂ；
幅が１００ｃｍで長さが５ｍの本発明の炭素繊維織物Ａを２枚と、幅が１００ｃｍで長さが５ｍのガラス繊維からなる、繊維目付が４５０ｇ／ｍ2 のチョップドストランドマットを３枚準備した。
【００７７】
離形剤を塗布した成形型の上に、強化繊維基材としてまず本発明の炭素繊維織物Ａ1 を１枚積層し、次にその上にマットの端部と織物の端部が合うようにチョップドストランドマットを１枚づつ３枚積層し、さらにその上に本発明の炭素繊維織物Ａ2 を１枚積層し、合計５層の繊維基材を積層した。
【００７８】
繊維基材の上に、ピールプライとしてのナイロンフイラメント織物を置き、その上に媒体としてポリエチレンからなる厚みが１．０ｍｍ、メッシュの開口寸法が２．６×２．６ｍｍ、メッシュの開口率（全体面積；１００に対するメッシュの開口部面積の比率）が６２％のメッシュのシートを２枚、繊維基材の全面覆うように置いた。
【００７９】
積層した繊維基材の周囲にエッジブリーザとしてのガラス繊維織物を、基材積層体とほぼ同じ厚さになるように張り巡らし、真空ポンプの吸引口を取り付けた。
【００８０】
全体をナイロンフイルムからなるバッグフイルムで覆い、真空状態が保てるようにバッグフイルムと成形型および吸引口の取り付け口をシール材で接着した。
【００８１】
バッグフイルムの中央部に樹脂の吐出口を設け、同様に真空状態が保てるようフイルムと吐出口をシール材で接着した。
【００８２】
つぎに、真空ポンプでバッグフイルムに覆われた内部を７５５Ｔｏｒｒの真空状態にしたのち、バルブを解放して樹脂粘度が３ポイズの常温硬化型ビニルエステル樹脂を注入し、樹脂が十分硬化した後、ピールプライを剥がすことによって、メッシュのシート（媒体）およびナイロンフイルム（バッグフイルム）を剥がし、成形型（以下、単に型ということがある）から脱型して成形板Ａを成形した。
【００８３】
また、比較のために織物Ａを織物Ｂに変え、その他は成形板Ａと同じにして成形板Ｂを成形した。
【００８４】
また、織物Ａ１枚のかわりに織物Ｃを２枚使用して、その他は成形板Ａと同じにして成形板Ｃを成形した。
【００８５】
上記の成形（成形法Ｂ）にあたり、強化繊維基材を所定の積層構成に積層すための積層回数と積層に要した時間の調査結果と、成形板の断面観察による樹脂含浸状態の調査結果を表３に示した。なお、積層時間は織物ロールおよびマットを巻いたロールから織物およびマットを裁断し、積層までに要した時間とし、これらに作業に携わった２人の延べ時間とした。
【００８６】
【表３】
本発明の炭素繊維織物Ａを使用した成形板Ａの成形では、織物Ａが目どめ処理されていることもあり、裁断で織糸がほつれることもなく、また、織物目付が大きいが織物がある程度硬くなるので、５ｍの長い織物を積層するに当たっても、自重で織物が撓み、織物の中央部が先に型や前に積層した基材に接触することもなく、シート状に繊維配向が真直ぐな状態で積層することが出来、５枚の基材の裁断から積層までに要した時間は延べ時間で４０分であった。
【００８７】
また、樹脂の拡散媒体があるから樹脂が１ｍ×５ｍの全面に直ちに拡散し、積層基材の厚さ方向に樹脂が含浸し、樹脂注入に要した時間は２３分であった。樹脂の硬化後、成形板を切断して、断面を観察したところ、真空状態で樹脂含浸していることもあって完全に樹脂が含浸していた。
【００８８】
一方、炭素繊維織物Ｂを使用した成形板Ｂの成形では、織物Ｂが目どめ処理がなされていないこともあり、裁断で織糸がほつれ、また、織物の目付が大きくて柔らかいので、５ｍの長い織物を積層すると、自重で織物が撓み、織物の中央部が先に型や前に積層した基材に接触し、シート状に繊維配向が真直ぐな状態で積層するに時間がかかり、５枚の基材の裁断から積層までに要した時間は延べ時間で４７分あった。
【００８９】
また、織物Ｂは糸条が太くて繊維が密に集束しているから、上部の織物Ｂ2 の樹脂の含浸性および透過性が悪くて、十分樹脂含浸が行われない前に、５０分間程度で常温硬化型の樹脂が途中に硬化し、型に接触している織物Ｂ1 の注入口から距離が遠い場所には樹脂が行き渡っていない箇所、すなわち未含浸部があり、満足な成形板は得られ無かった。
【００９０】
また、炭素繊維織物Ｃを使用した成形板Ｂの成形では、目どめ処理がなされていることもあり、織物の中央部が先に型や前に積層した基材に接触するようなことはなかったが、基材の裁断から積層までに要した時間は、積層枚数が７枚と多いので延べ時間で６０分と織物Ａの場合の１．５倍かかった。
【００９１】
なお、１枚あたりの炭素繊維の目付が小さいこともあり、樹脂の含浸性がよく、樹脂注入に要した時間は２１分と、成形板Ａの場合とほぼ同じであった。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明で用いられる炭素繊維織物はトウ状の太い炭素繊維糸条からなるが、糸条内で繊維同士が絡み合って、単繊維間に隙間が生じ、嵩高な織物となっているから、成形の際、樹脂の含浸性が良い。
【００９３】
また、本発明の繊維強化プラスチックはトウ状の太い炭素繊維糸条からなるが、樹脂含浸が容易になされるから、安価で機械的特性に優れてＦＲＰが得られる。
【００９４】
また、本発明のＦＲＰの成形方法によれば、嵩高な炭素繊維織物を使用し、真空バッグ成形において、媒体を介して樹脂を全面に拡散させるから、または、成形材に設けた溝で樹脂を全面に拡散させるから、樹脂の含浸性が良く、かつ樹脂含浸時間を少なくすることが出来るから、ＦＲＰ成形品を安価に製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示す。
【図２】 たて方向補助糸を有する本発明の一方向性炭素繊維織物の実施態様例を示す。
【図３】 たて方向とよこ方向に炭素繊維が走行する本発明の炭素繊維織物の実施態様例を示す。
【図４】 本発明のＦＲＰの成形法を説明する１実施例の断面図である。
【図５】 樹脂拡散媒体の斜視図である。
【図６】 フックドロップ値の測定装置の斜視図である。
【図７】 フックドロップ値の測定装置の拡大部分正面図である。
【図８】 フックドロップ値の測定装置の部分斜視図である。
【図９】 本発明のＦＲＰの成形法を説明する他の実施例の断面図である。
【図１０】 成形材を説明する概略斜視図である。
【符号の説明】
１：炭素繊維糸条の断面
２：炭素繊維糸条
３：補助糸
４：たて方向補助糸
５：目どめ剤
６：成形型
７：炭素繊維織物
８：ピールプライ
９：媒体
１０：吸入口
１１：エッジ・ブリーザ
１２：バッグ・フイルム
１３：シール材
１４：吐出口
１５：バルブ
１６：Ａ群のバー
１７：Ｂ群のバー
１８：成形材
１９：成形材に炭素繊維織物を巻き付けたブロック
２０：溝
１０１：炭素繊維糸条
１０２：金属フック
１０３：重り
１０４：上部クランプ
１０５：下部クランプ
１０６：綿糸
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維からなる繊維強化プラスチック、さらに詳しくはトウ状の太い炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物を用いた繊維強化プラスチックとその成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は比重が小さくて引張強度が高くかつ引張弾性率も高く、それを樹脂で固めた炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼称する）は強度および弾性率の高い材料となり、先端複合材料と呼ばれている。
【０００３】
ところが、従来のＣＦＲＰは、たとえば３，０００フイラメントの細い炭素繊維糸条からからなり、炭素繊維糸条がたて方向とよこ方向に配列した、炭素繊維目付が２００〜４００ｇ／ｍ2 の薄い二方向性織物を、あらかじめ樹脂を含浸したプリプレグを多数枚積層してオートクレーブ成形して成形品を製造しているので、下記の状況から製造コストが高くなり、性能には優れるがその展開分野は航空機関連構造材やプレミヤム製品である高級なスポーツ用具などに限定され、一般産業分野への展開が困難となっていた。
【０００４】
Ａ．細い炭素繊維糸条は、炭素繊維の生産性が低くなる。
【０００５】
Ｂ．細い糸条で織物を製造するから、織物の生産性が低くなる。
【０００６】
Ｃ．織物が薄いから、所定の炭素繊維量を積層するには、積層枚数が多くなり、積層の手間が大きくなる。
【０００７】
Ｄ．プリプレグ工程が必要となるので、プリプレグの加工コストが加わる。
【０００８】
Ｅ．オートクレーブが必要となり、大きな設備投資が必要となる。
【０００９】
コストダウンを図るため、従来の炭素繊維織物を成形型のなかに積層し常温硬化型の樹脂を加圧で注入するレジン・トランスファー成形法とか、これらを型の上に積層してバッグフイルムで覆い、その中を真空状態となし、常温硬化型の樹脂を注入する、いわゆる真空バッグ成形法がある。この方法は上記のＤ項およびＥ項によるＣＦＲＰのコストはかなり削減されるが、Ａ項、Ｂ項およびＣ項によって、成形されるＣＦＲＰ製品は高価なものとなる。
【００１０】
一方、従来の炭素繊維糸条を用いて、炭素繊維目付の大きな炭素繊維織物を使うことも考えられるが、下記の問題がありほとんど実用化されるには至っていない。
【００１１】
Ｆ．たて方向とよこ方向の２方向に炭素繊維が配列した２方向織物にすると炭素繊維目付の大きな織物にすることができるが、たて糸とよこ糸による交錯によって織糸の屈曲（クリンプ）が大きくなるので、ＣＦＲＰに成形すると、応力集中により強度および弾性率が低くなってしまう。
【００１２】
Ｇ．一方向に配列した織物はクリンプによる強度低下はきたさないが、炭素繊維糸条が一方向のみに配列するから、織物の炭素繊維目付を大きくすると、繊維密度が大きいなり、単繊維間の隙間が小さくなる。したがって、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などの成形法では樹脂の流れが悪くなり、樹脂注入に時間がかかるし、炭素繊維織物への樹脂の含浸性が悪くなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような現状に着目し、トウ状の太い炭素繊維糸条を用いても樹脂の含浸性に優れていて、成形されたときに機械的特性に優れる安価な炭素繊維織物を使用することにより、機械的特性に優れる安価で繊維強化プラスチックを提供することにある。さらに、前記の織物を使用しての繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと呼称する）の成形方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基本的には下記の構成を有する。
即ち、本発明の繊維強化プラスチックは、積層された繊維基材を樹脂で強化してなる繊維強化プラスチックであって、前記繊維基材の少なくとも１層がトウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡していることを特徴とするものである。
また、本発明の繊維強化プラスチックの成形方法は、トウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡している炭素繊維織物を、繊維基材として少なくも１層以上成形型に積層し、その上に樹脂を面方向に拡散するための媒体を置いたのち、繊維基材および媒体の全体をバッグフイルムで覆い、つぎにバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、積層された繊維基材の片面に常温硬化型樹脂を拡散させ、繊維基材に該樹脂を含浸することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に使用する炭素繊維糸条は、４０，０００〜４００，０００本のマルチフイラメントが集束してトウ状となすもので、好ましくは、炭素繊維の単糸径が５〜１５ミクロンであり、炭素繊維糸条の繊度は２５，０００〜３５０，０００デニールである。このような炭素繊維糸条は、たとえばポリアクリロニトリル繊維のトウを耐炎化、炭化処理した後、サイジング剤を付着させて集束することによって製造することが出来る。トウは太い糸条として製造することが出来るから、ポリアクリロニトリル繊維や耐炎化、炭化の炭素繊維の製造工程での生産性を向上させ、安価な炭素繊維糸条を製造することが可能となるのである。
【００１７】
また、炭素繊維糸条のフイラメントが４０，０００本以下、糸条の繊度が２５，０００デニール以下であると、糸条が比較的細くなるから樹脂の含浸性の点では好ましいが、さほど炭素繊維糸条のコストダウンが期待されない。また、炭素繊維糸条のフイラメントが４００，０００本以上、糸条の繊度が３５０，０００デニール以上であると炭素繊維糸条は安価となるが糸条が太くなるので、糸条の中央部までの距離が大きくなるので、糸条の周囲から進む樹脂の含浸が不完全となるので好ましくない。
【００１８】
また、本発明の炭素繊維は、ＪＩＳ Ｒ７６０１法による引張強度は３〜４ＧＰａで引張弾性率は２００〜３００ＧＰａ程度であり、また織物製造工程での製織操作を向上させるため０．５〜２重量％程度のサイジング剤を付着させると好ましい。また、織物を構成する炭素繊維糸条に撚が掛かっていると、撚による炭素繊維束の集束部が樹脂の含浸が阻害されるので、無撚であることが好ましい。
【００１９】
なお、本発明では糸条を構成する炭素繊維同士を交絡させておく。炭素繊維同士の交絡が無く、炭素繊維同士が並行に真直ぐに配列した糸条は、炭素繊維の屈曲が無くて応力集中しないから、成形した時の強度発現性がよく高強度となるが、炭素繊維間に隙間が無く密に繊維が詰まった状態となり、また糸条が太いから、糸条の中央部までの距離が大きくなるので、なかなか中央部まで樹脂が到達しなく、含浸性が悪くなる。炭素繊維同士を交絡させておくと、炭素繊維同士の交差によって炭素繊維間に隙間を設けることができるから、炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、織物の炭素繊維糸条に樹脂を含浸させやすくなる。この炭素繊維の交絡度合をフックドロップ値ＦＤ(15)で表し、このフックドロップ値ＦＤ(15)が３０ｃｍ以下の交絡度合が好ましい。フックドロップ値ＦＤ(15)が３０ｃｍ以上であると繊維の交絡度合いが小さく、樹脂の含浸性を改善するまでには至らない。また、フックドロップ値ＦＤ(15)が２ｃｍ以下であると炭素繊維の交絡が大きくなり、炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、炭素繊維間の隙間が多くなり樹脂が含浸されやすくなるが、炭素繊維の屈曲が大きくなるから、ＦＲＰにしたとき応力集中をもたらし強度が低下してしまう。フックドロップ値ＦＤ(15)が２〜３０ｃｍの範囲、より好ましくは２〜１０ｃｍの範囲であると適度な樹脂の含浸性が与えられ、またＦＲＰにしたとき高強度となる。
【００２０】
ただし、フックドロップ値はあくまで交絡度合を示すための指標に過ぎず、たとえフックドロップ値を直接測定することが困難だったり不可能であっても他の測定手段で測定してその値を適当な方法でフックドロップ値に換算して、前記数値範囲で有れば良い。
【００２１】
本発明においてフックドロップ値ＦＤ(15)とは、織物を構成する炭素繊維糸条の繊維の交絡の程度を表すのもで、図６〜８に示す測定装置によって測定した金属フックの自由落下距離をもって表されるものである。
【００２２】
織物の炭素繊維糸条のフックドロップ値ＦＤ(15)は、幅１，０００ｍｍ、長さ１，０００ｍｍの織物を３枚抽出し、各織物からたて糸またはよこ糸を毛羽が発生しないように、また撚が加わらないようにほぐして、長さ１，０００ｍｍの炭素繊維糸条を採集する。ほぐした炭素繊維糸条の繊維配列状態が乱れないように脱サイジング処理を行い、この上端を上部クランプ１０４で装置に固定する。なお、固定する糸条の幅、すなわち糸条の厚みがフックドロップ値に影響するので、固定する糸条の幅Ｂ（ｍｍ）と糸条繊度Ｄ（デニール）との関係を下記の式に従うようにし、糸条の厚みが均一になるように上部クランプ１０４固定した。
【００２３】
糸条の幅Ｂ＝４×１０-4×Ｄ
次に、下端に４ｍｇ／デニールの荷重をかけた状態で、撚が加わらないように掴み間隔が９５０ｍｍになるように下部クランプ１０５で鉛直方向に固定する。
【００２４】
次に、上下端を固定した炭素繊維糸条１０１の幅方向中央部に、金属フック１０２（ワイヤー直径：１ｍｍ、半径：５ｍｍ）に綿糸１０６で重り１０３を取り付けた重錘（フック１０２の上端から重り１０３の上端までの距離：３０ｍｍ）のその金属フック１０２を上部クランプの下端から金属フック１０２の上端までの距離が５０ｍｍになるように引っ掛け、手を離して金属フック１０２の自由落下距離（上記５０ｍｍの位置から、落下位置における金属フック１０２の上端までの距離）を測定する。金属フック１０２および綿糸１０６の重量は極力軽くし、金属フック１０２、綿糸１０６および重り１０３の合計重量、すなわち重錘の重量が１５ｇになるようにしておく。フックドロップ値ＦＤ(15)は、１枚の織物のたて糸またはよこ糸について１０回の測定を行い、ｎ＝３０の平均値をもって表す。なお、金属フック１０２が下部クランプ１０５の位置まで落下してしまう場合もあるが、そのときの自由落下距離は９００ｍｍとみなす。そのためには、下部クランプ１０５に金属フック１０２は当たるが綿糸１０６や重り１０３は引っ掛からないようにしておく必要があり、図８にこの場合の落下状態を示すように、下部クランプ１０５の下方に十分な空間を設けておく必要がある。なお、測定は織物を温度２５℃、相対湿度６０％の環境下に２４時間放置した後、温度２５℃、相対湿度６０％の環境下で行う。
【００２５】
なお、炭素繊維糸条にサイジング剤が付着している場合は、サイジング剤の付着量や付着状態によって金属フックの自由落下距離が影響を受けるから、完全にサイジング剤を除去してから本測定を行う。たとえば、サイジング剤は７００℃の窒素雰囲気中で１時間加熱処理することによって除去することが出来る。また、炭素繊維糸条にプリプレグあるいはＣＦＲＰの樹脂が付着乃至は含浸している場合も、金属フックの自由落下距離が影響を受けるか、殆ど測定ができないから、完全にこれらの樹脂を除去してから本測定を行う。たとえば、ビニルエステル樹脂ならば７００℃の窒素雰囲気中で５時間加熱処理することによって除去することが出来る。
【００２６】
また、本発明の炭素繊維織物は、嵩密度が０．６５ｇ／ｃｍ3 以下であることが好ましい。嵩密度が０．６５ｇ／ｃｍ3 以下であると炭素繊維糸条および織物が嵩高となり、炭素繊維間の隙間が多くなり樹脂が含浸されやすくなり、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形のみならずハンドレイアップ成形でも樹脂含浸が可能となる。
【００２７】
本発明において嵩密度Ｖとは、下記の算出式で計算される値をいう。
【００２８】
Ｖ＝ｗ／（ｔ×Ａ）
ここで、ｔ：織物の厚さ（ｃｍ）
Ａ：織物の面積（ｃｍ2 ）
ｗ：織物の面積Ａにおける炭素繊維重量（ｇ）
なお、織物の厚さの測定方法は、ＪＩＳ Ｒ ７６０２ ５．６項の、厚さ測定器がダイヤルゲージ法に準じた。ただし、荷重は３ｋＰａとし、織物を５枚重ね合わせて、荷重をかけてから２０秒経過後の値を読取り、織物枚数で割り、１枚あたりの厚さとした。なお、一方向性織物の場合は、補助糸であるよこ糸が織物の厚さに及ぼす影響を極力少なくなるように、織物の重ね合わせは、重ね合わせる織物のよこ糸の位置が互いにずれるように織物を重ね合わせた。
【００２９】
本発明の具体的な実施態様を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示しており、図において、２は炭素繊維糸条で、多数本の炭素繊維糸条がたて方向に並行に配列し、よこ方向の補助糸３が炭素繊維糸に交錯している、いわゆる一方向性織物である。
【００３０】
図２は、本発明の炭素繊維織物の他の実施態様を示しており、たて方向に、実質的に屈曲（クリンプ）を有しない炭素繊維糸条２を一方向性に互いに並行かつシート状に引き揃えてなる糸条群ロのシート面の両側によこ糸補助糸３の糸条群ニが位置し、それらよこ糸補助糸群と、炭素繊維糸条群と並行するたて方向補助糸４の糸条群ハとが織組織をなして糸条群を一体に保持している、一方向性炭素繊維織物である。このような織物はたて方向の炭素繊維糸条に屈曲（クリンプ）を有しないので、成形してＣＦＲＰにしても応力が集中するようなことはなく、高い強度となる。
【００３１】
本発明に使用する補助糸は、本質的にはＦＲＰなったときに荷重を負担させるものではなく、織物の形態保持に使用するものであるから、１００〜２，０００デニール程度で、炭素繊維糸条に比べて細い糸が好ましい。とくに、１００〜５００デニールと炭素繊維糸条に比べ極端に細く、また、よこ糸密度が０．５〜８本／ｃｍ程度であると、よこ糸の補助糸による炭素繊維糸条の拘束が弱くなるので、嵩高な織物となる。なお、補助糸は、織物の寸法安定性や目どめ処理の際の加熱による収縮を防止する点から、１５０℃における乾熱収縮率が０．１％以下のものが好ましい。そのような補助糸を構成する繊維としては炭素繊維、ガラス繊維やポリアラミド繊維などである。
【００３２】
上記一方向性織物において、炭素繊維の目付が４００〜２，０００ｇ／ｍ2 程度にすると積層の枚数が少なくてよいから、成形の際の繊維基材の積層の手間が少なくなり、成形の省力化に繋がる。
【００３３】
また、炭素繊維糸条間に０．２〜２ｍｍ程度の隙間を設けておくと、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などの、成形型やバッグフイルムに密閉された繊維基材に樹脂を注入して成形する際に、糸条間の隙間が樹脂の流路となり、樹脂の注入時間が短縮され、成形の効率化に繋がる。
【００３４】
とくに、一方向性織物において、炭素繊維糸条のフイラメント数が４０，０００〜１００，０００本、糸条繊度が３０，０００〜７０，０００デニールであり、炭素繊維の目付が４００〜７００ｇ／ｍ2 であると、樹脂粘度が２〜７ポイズの常温硬化型樹脂でのハンドレイアップ成形でも炭素繊維織物は嵩高となっているので、通常の含浸ローラ掛けで十分樹脂含浸が可能である。
【００３５】
図３は、本発明の炭素繊維織物の他の実施態様を示しており、炭素繊維糸条２がたて方向とよこ方向の二方向に配列した二方向性炭素繊維織物である。
【００３６】
なお、本発明の炭素繊維織物は炭素繊維糸条が太いので、織物を構成する糸条本数が少なくなる。したがって、よこ糸との交錯点数が少なくなり、裁断した際に炭素繊維糸条がほつれ、作業性が悪くなる。
【００３７】
したがって、本発明の一方向性の炭素繊維織物では、図１および図２に示すように、よこ方向の補助糸のその長さ方向に線状または点状に延びる低融点ポリマー５を付着させ、この低融点ポリマーが互いに直交する糸、すなわちたて方向の炭素繊維糸条または炭素繊維とたて方向補助糸がとの交点において接着している、いわゆる目どめ織物であることが好ましい。なお、図１および図２では低融点ポリマーがよこ方向の補助糸に付着した例を示したが、たて方向の炭素繊維糸条および／またはたて方向補助糸に付着させててもよいし、またはたて方向の炭素繊維糸条および／またはたて方向補助糸とよこ方向の補助糸に付着させてもよい。
【００３８】
また、図３に示すように、二方向性の炭素繊維織物において、よこ方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマー５を付着させて、そのポリマーでたて方向の炭素繊維糸条が互いに接着されていてもよい。または、たて方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマーを付着させてもよいし、たて方向とよこ方向の炭素繊維糸条に低融点ポリマーを付着させてもよい。
【００３９】
このように目どめされた織物は、レジン・トランスファー成形や真空バッグ成形などでは、織物を裁断し成形型に積層するが、裁断の際、糸条のほつれが防止でき、成形の作業性が大幅に向上する。
【００４０】
また、低融点ポリマーの付着量は、多いと樹脂含浸を阻害したり、ＣＦＲＰの機械的性質を低下させるので、６ｇ／ｍ2 以下が好ましい。ただし、０．５ｇ／ｍ2 未満であると目どめ効果が薄れるので、０．５〜６ｇ／ｍ2 が好ましい。
【００４１】
一方向性炭素繊維織物の場合、これら低融点ポリマーが細い補助糸に多量に付くと、補助糸は基本的には補強を担わせていないが、破壊の起点が補助糸から始まるので、これらを防止するには、低融点ポリマーの付着量が補助糸の４０重量％以下が好ましい。
【００４２】
本発明に用いる低融点ポリマーは、通常、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、共重合ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタンから選ばれたものである。なかでも、低温でポリマーを溶融でき、かつ接着力が強く、僅かな使用量で期待する目どめ効果が得られることから共重合ナイロンがとくに好ましく用いられる。
【００４３】
本発明の繊維強化プラスチックおよび繊維強化プラスチック構造体は、強化繊維基材のすべてが本発明の炭素繊維織物の単層又は多層の積層体であって、樹脂が含浸して繊維強化されたものであってよいが、少なくとも、繊維基材の少なくとも１層が本発明の炭素繊維織物であって、ガラス繊維やポリアラミド繊維などの他の強化繊維からなる基材と組み合わせることが出来る。
【００４４】
本発明の繊維強化プラスチックに用いる樹脂は、たとえばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂やナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂などの熱可塑性樹脂である。
【００４５】
本発明の繊維強化プラスチックは、繊維基材として嵩高で樹脂含浸性が良く、かつ高目付な炭素繊維織物を使用しているから、機械的特性に優れて安価なＦＲＰとなる。
【００４６】
本発明の炭素繊維織物は、従来から知られている方法でＦＲＰを成形することが出来るが、なかでもレジン・トランスファー成形法や真空バッグ成形法では大型の成形品が安価に製造することが出来るので、好ましく用いられる。
【００４７】
ついで、本発明によるＦＲＰの成形法を説明するに、図４は本発明のＦＲＰの成形法を説明する一実施例の断面図である。図４において、成形型６の上に、繊維基材として本発明の炭素繊維織物７が所定の方向に所定の枚数が積層され、その上に樹脂が硬化した後に引き剥がして除去するシート、いわゆるピールプライ８を積層し、その上に樹脂を繊維基材の全面に拡散させるための媒体９を置く。繊維基材の周囲には、真空ポンプの空気の吸引口１０を取り付けた、エッジ・ブリーザ１１として織物など多孔性の材料を多数枚積層して張り巡らし、それら全体をバッグ・フイルム１２で覆い、空気が漏れないようにバッグ・フイルムの周囲をシール材１３で成形型に接着させる。バッグ・フイルムの上部に樹脂タンクからの注入される樹脂の吐出口１４を取り付け、吐出口の取り付け部から空気が漏れないようにシール材１３で接着する。樹脂タンクには、硬化剤を所定量入れた常温でシロップ状の常温硬化型の熱硬化性樹脂を入れておく。ついで、真空ポンプでバッグ・フイルムで覆われた繊維基材を、真空圧力が７００〜７６０Ｔｏｒｒ程度の真空状態にしたのち、バルブ１５を解放して樹脂を注入する。バッグ・フイルムで覆われた中が真空状態であり、繊維基材の厚さ方向より媒体の面方向が樹脂の流通抵抗が小さいから、まず樹脂は媒体の全面に拡がったのち、ついで繊維基材の厚さ方向の含浸が進行する。この方法であると樹脂の含浸しなければならない距離は、繊維基材積層体の厚さでよいから、樹脂含浸が非常に早くて完了する。なお、真空ポンプは少なくとも樹脂の含浸が完了するまで運転し、バッグ・フイルムの中を真空状態に保つことが好ましい。樹脂含浸完了後、バルブを閉口し室温に放置して樹脂を硬化させる。樹脂の硬化後、ピールプライを剥いで、媒体やバッグ・フイルムを除去し、成形型から脱型することによってＦＲＰ成形品が得られる。
【００４８】
本発明に使用する媒体９の一例を図５に示したが、媒体はバッグ内の真空圧力を繊維基材に伝え、かつ注入される樹脂を媒体の隙間を通して、媒体側の繊維基材上面の全体に樹脂を行き渡らせるものである。すなわち、バッグ・フイルムとピールプライ間に位置する媒体に樹脂が注入されると、図５において、注入された樹脂はバッグ・フイルムに接するＡ群のバー１６の間隙を流れてバー１６の方向とＢ群の矩形断面のバー１７の間隙を流れてバー１７の方向に流れるから全面に樹脂が拡散することとなる。また、バー１６にかかる力をバー１７に伝えることが出来るから真空圧力を繊維基材に伝えることが出来るのである。バーの太さは特に限定されるものではないが、０．２〜２ｍｍが好ましい。又、間隙の幅は０．２〜２ｃｍが好ましい。媒体の具体的なものとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニルや金属などからなるメッシュ状のシートで、たとえば、メッシュ状樹脂フイルム、織物、網状物や編物などであり、必要に応じてこれらを数枚重ねて使用することが出来る。
【００４９】
なお、上記は媒体を繊維基材積層体の上面の一面に設置する場合について説明したが、繊維基材積層体が厚い場合は、繊維基材積層体の下面と上面に設置して、繊維基材積層体の両面から樹脂含浸をおこなうことも出来る。
【００５０】
また、本発明の炭素繊維織物を含む繊維強化プラスチックと前記繊維強化プラスチック以外の成形材からなり、繊維強化プラスチックと成形材が繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂で接着し、かつ繊維強化プラスチック側の成形材に設けた溝にも前記マトリックス樹脂が充填されて成形材と接着していることを特徴とする繊維強化プラスチック構造体は、以下の方法により得ることができる。即ち、表面に樹脂の流路となる溝を有する成形材の上に繊維基材を積層し、さらに、全体的をバックフィルムで覆い、次にバックフィルムで覆われた内部を真空状態にし、繊維基材と接している成形材の溝から樹脂を拡散させ、積層された繊維基材に常温硬化型熱硬化性樹脂を含浸させながら繊維基材と成形材とを一体化させることも出来る。この方法によれば、溝により、樹脂の拡散が容易であるだけでなく、ＦＲＰを表皮材とし、成形材と一体化した繊維強化プラスチック構造体を簡単に成形することが出来る。
【００５１】
図９は、本発明のＦＲＰの成形方法を説明する断面図である。図９において、成形型６の上に、繊維基材としての炭素繊維織物７を成形材１８に所定の枚数巻き付けたブロック１９を必要個数分を配置し、それら全体をバッグ・フイルム１２で覆い、空気が漏れないようにバッグ・フイルムの周囲をシール材１３で成形型６に接着させる。なお、成形材の１例を図１０に示すが、成形材の上面Ｃ、下面Ｄ、側面Ｅおよび正面Ｆには樹脂の流路となる溝２０が設けられている。
【００５２】
真空ポンプで吸引口からバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、吐出口から繊維強化プラスチックのマトリックスとなる樹脂を流し込むと、樹脂が成形材の上下面および側面に設けられた流動抵抗の小さな溝を伝って成形材の全体に行きわたり、その後繊維基材への樹脂含浸が行われる。
【００５３】
ついで、常温で樹脂が硬化すると、成形材の溝にマトリックス樹脂が充填されて、成形材の溝とマトリックス樹脂が接着し、同時に繊維強化プラスチックとマトリックス樹脂が接着し、本発明の繊維強化プラスチック構造体が得られる。
【００５４】
本発明の繊維強化プラスチック構造体によれば、繊維強化プラスチックと成形材の接着が単なる繊維強化プラスチックと成形材面のみならず、成形材の溝とマトリックス樹脂とも接着しているので接着面積が大きくなり、繊維強化プラスチックと成形材の一体化が強固となる。
【００５５】
なお、成形材の溝の断面形状は矩形、台形や半球形などであり、これら断面形状や断面寸法は樹脂の流動性や繊維強化プラスチックと成形材の接着度合いによって適宜決めることが出来る。なかでも、断面形状が成形材に対してくさび型となるような台形にすると、繊維強化プラスチックと成形材の接合はより強固なものとなる。
【００５６】
本発明に使用する成形材は、有機系あるいは無機系の発泡体であると、得られる成形体が軽くなるので好ましく用いられるが、発泡していない樹脂板や無機系の板、または金属板や木材やであってもよい。有機系あるいは無機系の発泡体としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、シリコーン、イソシアヌレート、フェノール、アクリル樹脂のフォームや軽量気泡コンクリート、珪酸カルシュームフォームや炭酸カルシュームフォームなどがあげられる。
【００５７】
なお、成形材の圧縮強さは、１．０ｋｇｆ／ｃｍ2 以上が好ましい。圧縮強さが１．０ｋｇｆ／ｃｍ2 以下であると、成形時に真空バッグする際真空減圧され、成形材の潰れが発生してしまうので好ましくない。
【００５８】
上記に記載した成形法は、大きくは真空バッグ成形法の範疇に入るが、樹脂注入と同時に樹脂を繊維基材積層体の全面に拡散させる点で、従来の真空バッグ成形法とは異なり、とくに大型のＦＲＰ成形品の成形に用いると好適である。
【００５９】
本発明の炭素繊維織物は１枚あたりの繊維目付が大きいにも拘らず、この織物の炭素繊維同士が交絡していて嵩高で、繊維間に隙間がある、また、本発明の成形方法によれば、樹脂の流れやすい繊維基材積層体の面方向に全面に樹脂が拡がり、繊維基材積層体の厚さ方向に樹脂含浸が進むから、積層の手間が少なくなるのみならず、樹脂の含浸が完全に行われ、また樹脂の注入時間も少なくなり、作業性が向上する。
【００６０】
なお、本発明に使用する繊維基材は、全てが本発明の炭素繊維織物である必要はなく、少なくとも１層以上用いればよい。その他の繊維基材は、たとえば通常の炭素繊維織物や、また他の強化繊維、たとえばガラス繊維やポリアラミド繊維からなる織物やチョップド・ストランド・マット、コンティニュアス・ストランド・マットであってもよいし、これら強化繊維糸を並行に配列したシートを０゜（繊維基材の長さ方向）、９０゜（繊維基材の幅方向）や±４５゜（繊維基材の斜め方向）に積層され、これをガラス繊維、ポリエステル繊維やポリアラミド繊維などのステッチ糸で縫合した多軸ステッチ布帛であってもよい。
【００６１】
とくに、繊維基材の組み合わせが、本発明の一方向性炭素繊維織物と多軸ステッチ布帛であると、ＦＲＰ構造体の補強が必要な方向を一方向性炭素繊維織物で荷重を担わせ、その他の方向は多軸ステッチ布帛で荷重を担わせると、これら繊維基材は、布帛形成のための炭素繊維糸条同士およびその他の強化繊維糸条同士の交錯がなく、かつ曲がること無く真直ぐに繊維配向しているから、また繊維体積含有率も大きくなるからＦＲＰにしたとき機械的性質に優れる。また、糸条同士の交錯によって、炭素繊維またはその他の強化繊維が締め付けられることもないので、本発明の真空バッグ成形でも樹脂は十分に含浸させることが出来るし、含浸速度を早くすることができる。
【００６２】
本発明の成形に用いる樹脂は、常温で液状の常温硬化型の、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂である。なお、使用する樹脂の粘度は、樹脂の含浸性や含浸速度の点から低粘度樹脂が好ましく、０．５〜１０ポイズ程度、より好ましくは０．５〜５ポイズの範囲である。なかでもビニルエステル樹脂は、樹脂を低粘度とすることができることや、樹脂伸度を３．５〜１２％大きくすることが出来るので、成形性に優れるのみならず、強度が高く、耐衝撃性にも優れるので、好ましく用いられる。
【００６３】
本発明の成形に用いるピールプライは、樹脂が硬化した後にＦＲＰから引き剥がして除去するシートであるが、樹脂を通過させることができることが必要であり、ナイロン繊維織物、ポリエステル繊維織物やガラス繊維織物などである。なお、ナイロン繊維織物やポリエステル繊維織物は安価であるため好ましく用いられるが、これら織物を製造する際に用いられている油剤やサイジング剤がＦＲＰの樹脂に混入するのを防ぐため、精練を行い、また常温硬化型樹脂の硬化発熱による収縮を防ぐため、熱セットされた織物を使用することが好ましい。
【００６４】
本発明の成形に用いるエッジ・ブリーザは、空気および樹脂を通過させることができることが必要であり、ナイロン繊維織物、ポリエステル繊維織物、ガラス繊維織物やナイロン繊維、ポリエステル繊維からなるマットを使用することができる。
【００６５】
また、本発明の成形に用いるバッグ・フイルムは、気密性であることが必要でありナイロンフイルム、ポリエステルフイルムやＰＶＣフイルムなどである。
【００６６】
【実施例】
（炭素繊維織物Ａ）
フイラメント数が７０，０００本、繊度が５２，０００デニール、フックドロップ値が６．３ｃｍのトウ状のマルチフイラメントの炭素繊維糸条をたて糸とし、６０８デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸とし、たて糸密度が０．８７本／ｃｍ，よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が５０３ｇ／ｍ2 の目どめ処理した炭素繊維織物Ａを作製した。なお、目どめ処理は、ガラス繊維糸のよこ糸の挿入は低融点の５０デニールの共重合ナイロン糸と引き揃えて行い、よこ糸挿入後、織機上に取り付けた遠赤外線ヒータで共重合ナイロン糸を溶融し、炭素繊維糸条とガラス繊維糸を接着する方法で行った。得られた織物は、炭素繊維糸条内で炭素繊維同士が絡み合っていることもあって嵩高であり、織物の厚さは１．１ｍｍであった。また、目どめ処理を行っているので、織物の密度が粗いにもかかわらず、目ずれするようなことはなく、織物形態は安定していた。また、織物の加工速度を炭素繊維の１時間あたりの加工処理重量で示したが、炭素繊維糸条がトウ状で太いから、１時間あたり１５ｋｇの炭素繊維が加工でき、安価に製造することが出来た。
【００６７】
（炭素繊維織物Ｂ）
比較のために、フイラメント数が１２，０００本、繊度が７，２００デニール、フックドロップ値が４２．０ｃｍのマルチフイラメント糸を７本引き揃えて、フイラメント数が８４，０００本、繊度が５０，４００デニールの糸条をたて糸とし、６０８デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸し、たて糸密度が０．８９本／ｃｍ，よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が５００ｇ／ｍ2 の炭素繊維織物Ｂをモデル的に作製した。得られた織物は、炭素繊維糸条内で炭素繊維が並行に配列し、繊維同士の絡み合いがほとんどないので、繊維が密に集束し、織物の厚さは０．８ｍｍであった。また、織物の密度が粗く、目どめ処理を行っていないので、簡単に目ずれし、織物形態は不安定であった。一方、織物の加工速度は、たて糸の炭素繊維糸条が太く、１時間あたり１５ｋｇと織物Ａと同じであった。
【００６８】
（炭素繊維織物Ｃ）
また、比較のために、フイラメント数が６，０００本、繊度が３，６００デニール、フックドロップ値が１５．７ｃｍのマルチフイラメント糸をたて糸とし、２０２．５デニールのガラス繊維からなる補助糸をよこ糸し、たて糸密度が６．３本／ｃｍ、よこ糸密度が２本／ｃｍの、一方向に炭素繊維が配列した平組織の、炭素繊維目付が２５２ｇ／ｍ2 の炭素繊維織物Ａに比べ炭素繊維目付がほぼ半分の炭素繊維織物Ｃを作製した。なお、織物Ｃは織物Ａと同じ条件で目どめ処理を行った。一方、織物の加工速度は、１時間あたり７．５ｋｇと織物Ａの半分程度と遅かった。
【００６９】
表１に炭素繊維織物Ａ〜Ｃの要約を示した。
【００７０】
【表１】
【００７１】
成形法Ａ；
たて糸方向に５０ｃｍ、よこ糸方向に３０ｃｍに裁断した２枚の本発明の炭素繊維織物Ａを使用し、まず１層目の織物に樹脂粘度が３ポイズの常温硬化型ビニルエステル樹脂を織物Ａに均一に塗布した後、溝付きの脱泡ローラで脱泡作業を行い、次に２層目の織物をたて糸の炭素繊維糸条の方向が同じになるように積層し、１層目と同様に樹脂の塗布および樹脂含浸を行い、２０℃の室温に放置して樹脂を硬化させ、硬化板Ａを作製した。
【００７２】
同様に、比較のために炭素繊維織物Ｂを使用し、その他は硬化板Ａと同じ方法で硬化板Ｂを作製した。
【００７３】
成形した硬化板の厚み、およびその断面観察による樹脂含浸状態の調査結果および引張強度、弾性率の測定結果を表２に示した。なお、引張特性は織物Ａと織物Ｂに使用した炭素繊維の特性が異なるので、硬化板の特性が使用した炭素繊維に対してどの程度発揮されているか、つまり利用率で示した。
【００７４】
【表２】
【００７５】
これに対して、炭素繊維織物Ｂを使用した硬化板Ｂは、炭素繊維糸条内で炭素繊維同士の絡み合いが無く、繊維が密に詰まっているため硬化板での樹脂含浸は十分に行われていなく、とくに炭素繊維糸条の中央部で未含浸部があった。したがって、引張特性の強度利用率も引張強度が７２％、引張弾性率は９０％と、炭素繊維の特性が十分に発現していなかった。
【００７６】
成形法Ｂ；
幅が１００ｃｍで長さが５ｍの本発明の炭素繊維織物Ａを２枚と、幅が１００ｃｍで長さが５ｍのガラス繊維からなる、繊維目付が４５０ｇ／ｍ2 のチョップドストランドマットを３枚準備した。
【００７７】
離形剤を塗布した成形型の上に、強化繊維基材としてまず本発明の炭素繊維織物Ａ1 を１枚積層し、次にその上にマットの端部と織物の端部が合うようにチョップドストランドマットを１枚づつ３枚積層し、さらにその上に本発明の炭素繊維織物Ａ2 を１枚積層し、合計５層の繊維基材を積層した。
【００７８】
繊維基材の上に、ピールプライとしてのナイロンフイラメント織物を置き、その上に媒体としてポリエチレンからなる厚みが１．０ｍｍ、メッシュの開口寸法が２．６×２．６ｍｍ、メッシュの開口率（全体面積；１００に対するメッシュの開口部面積の比率）が６２％のメッシュのシートを２枚、繊維基材の全面覆うように置いた。
【００７９】
積層した繊維基材の周囲にエッジブリーザとしてのガラス繊維織物を、基材積層体とほぼ同じ厚さになるように張り巡らし、真空ポンプの吸引口を取り付けた。
【００８０】
全体をナイロンフイルムからなるバッグフイルムで覆い、真空状態が保てるようにバッグフイルムと成形型および吸引口の取り付け口をシール材で接着した。
【００８１】
バッグフイルムの中央部に樹脂の吐出口を設け、同様に真空状態が保てるようフイルムと吐出口をシール材で接着した。
【００８２】
つぎに、真空ポンプでバッグフイルムに覆われた内部を７５５Ｔｏｒｒの真空状態にしたのち、バルブを解放して樹脂粘度が３ポイズの常温硬化型ビニルエステル樹脂を注入し、樹脂が十分硬化した後、ピールプライを剥がすことによって、メッシュのシート（媒体）およびナイロンフイルム（バッグフイルム）を剥がし、成形型（以下、単に型ということがある）から脱型して成形板Ａを成形した。
【００８３】
また、比較のために織物Ａを織物Ｂに変え、その他は成形板Ａと同じにして成形板Ｂを成形した。
【００８４】
また、織物Ａ１枚のかわりに織物Ｃを２枚使用して、その他は成形板Ａと同じにして成形板Ｃを成形した。
【００８５】
上記の成形（成形法Ｂ）にあたり、強化繊維基材を所定の積層構成に積層すための積層回数と積層に要した時間の調査結果と、成形板の断面観察による樹脂含浸状態の調査結果を表３に示した。なお、積層時間は織物ロールおよびマットを巻いたロールから織物およびマットを裁断し、積層までに要した時間とし、これらに作業に携わった２人の延べ時間とした。
【００８６】
【表３】
【００８７】
また、樹脂の拡散媒体があるから樹脂が１ｍ×５ｍの全面に直ちに拡散し、積層基材の厚さ方向に樹脂が含浸し、樹脂注入に要した時間は２３分であった。樹脂の硬化後、成形板を切断して、断面を観察したところ、真空状態で樹脂含浸していることもあって完全に樹脂が含浸していた。
【００８８】
一方、炭素繊維織物Ｂを使用した成形板Ｂの成形では、織物Ｂが目どめ処理がなされていないこともあり、裁断で織糸がほつれ、また、織物の目付が大きくて柔らかいので、５ｍの長い織物を積層すると、自重で織物が撓み、織物の中央部が先に型や前に積層した基材に接触し、シート状に繊維配向が真直ぐな状態で積層するに時間がかかり、５枚の基材の裁断から積層までに要した時間は延べ時間で４７分あった。
【００８９】
また、織物Ｂは糸条が太くて繊維が密に集束しているから、上部の織物Ｂ2 の樹脂の含浸性および透過性が悪くて、十分樹脂含浸が行われない前に、５０分間程度で常温硬化型の樹脂が途中に硬化し、型に接触している織物Ｂ1 の注入口から距離が遠い場所には樹脂が行き渡っていない箇所、すなわち未含浸部があり、満足な成形板は得られ無かった。
【００９０】
また、炭素繊維織物Ｃを使用した成形板Ｂの成形では、目どめ処理がなされていることもあり、織物の中央部が先に型や前に積層した基材に接触するようなことはなかったが、基材の裁断から積層までに要した時間は、積層枚数が７枚と多いので延べ時間で６０分と織物Ａの場合の１．５倍かかった。
【００９１】
なお、１枚あたりの炭素繊維の目付が小さいこともあり、樹脂の含浸性がよく、樹脂注入に要した時間は２１分と、成形板Ａの場合とほぼ同じであった。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明で用いられる炭素繊維織物はトウ状の太い炭素繊維糸条からなるが、糸条内で繊維同士が絡み合って、単繊維間に隙間が生じ、嵩高な織物となっているから、成形の際、樹脂の含浸性が良い。
【００９３】
また、本発明の繊維強化プラスチックはトウ状の太い炭素繊維糸条からなるが、樹脂含浸が容易になされるから、安価で機械的特性に優れてＦＲＰが得られる。
【００９４】
また、本発明のＦＲＰの成形方法によれば、嵩高な炭素繊維織物を使用し、真空バッグ成形において、媒体を介して樹脂を全面に拡散させるから、または、成形材に設けた溝で樹脂を全面に拡散させるから、樹脂の含浸性が良く、かつ樹脂含浸時間を少なくすることが出来るから、ＦＲＰ成形品を安価に製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示す。
【図２】 たて方向補助糸を有する本発明の一方向性炭素繊維織物の実施態様例を示す。
【図３】 たて方向とよこ方向に炭素繊維が走行する本発明の炭素繊維織物の実施態様例を示す。
【図４】 本発明のＦＲＰの成形法を説明する１実施例の断面図である。
【図５】 樹脂拡散媒体の斜視図である。
【図６】 フックドロップ値の測定装置の斜視図である。
【図７】 フックドロップ値の測定装置の拡大部分正面図である。
【図８】 フックドロップ値の測定装置の部分斜視図である。
【図９】 本発明のＦＲＰの成形法を説明する他の実施例の断面図である。
【図１０】 成形材を説明する概略斜視図である。
【符号の説明】
１：炭素繊維糸条の断面
２：炭素繊維糸条
３：補助糸
４：たて方向補助糸
５：目どめ剤
６：成形型
７：炭素繊維織物
８：ピールプライ
９：媒体
１０：吸入口
１１：エッジ・ブリーザ
１２：バッグ・フイルム
１３：シール材
１４：吐出口
１５：バルブ
１６：Ａ群のバー
１７：Ｂ群のバー
１８：成形材
１９：成形材に炭素繊維織物を巻き付けたブロック
２０：溝
１０１：炭素繊維糸条
１０２：金属フック
１０３：重り
１０４：上部クランプ
１０５：下部クランプ
１０６：綿糸
Claims (14)
- 積層された繊維基材を樹脂で強化してなる繊維強化プラスチックであって、前記繊維基材の少なくとも１層がトウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡していることを特徴とする繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維糸条の交絡度合はフックドロップ値ＦＤ(15)で２〜３０ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該炭素繊維織物の嵩密度が０．６５ｇ／ｃｍ3 以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維織物において、該炭素繊維糸条がたて方向に配列し、かつ、補助糸がよこ方向に配列していることを特徴とする請求項１乃至は３のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維織物において、該炭素繊維糸条が実質的に屈曲せずに糸条群を構成し、該炭素繊維糸条の両面側に該炭素繊維糸条と交差するよこ方向補助糸群が位置し、それらよこ方向補助糸群と、該炭素繊維糸条に並行するたて方向補助糸群とが織組織をなして該炭素繊維糸条群を一体に保持していることを特徴とする請求項１乃至は４のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維織物において、該炭素繊維糸条がたて方向とよこ方向に配列していることを特徴とする請求項１乃至は３、または５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維織物において、該炭素繊維糸条のフイラメント数が４０，０００〜１００，０００本、糸条繊度が３０，０００〜７０，０００デニールであり、炭素繊維の目付が４００〜７００ｇ／ｍ2であることを特徴とする請求項１乃至は６のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- 該炭素繊維織物において、該炭素繊維糸条および／またはたて方向補助糸と、よこ方向補助糸とが、その交点において互いに低融点のポリマーで接着されていることを特徴とする請求項１乃至は５、または７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。
- たて方向およびよこ方向の該炭素繊維糸条が、その交点において互いに低融点のポリマーで接着されていることを特徴とする請求項６に記載の繊維強化プラスチック。
- 請求項１乃至９のいずれかに記載の繊維強化プラスチックと前記繊維強化プラスチック以外の成形材とからなり、繊維強化プラスチックと成形材とが繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂で一体化し、かつ繊維強化プラスチック側の成形材に設けた溝にも前記マトリックス樹脂が充填されていることを特徴とする繊維強化プラスチック構造体。
- トウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡している炭素繊維織物を、繊維基材として少なくも１層以上成形型に積層し、その上に樹脂を面方向に拡散するための媒体を置いたのち、繊維基材および媒体の全体をバッグフイルムで覆い、つぎにバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、積層された繊維基材の片面に常温硬化型樹脂を拡散させ、繊維基材に該樹脂を含浸することを特徴とする繊維強化プラスチックの成形方法。
- トウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡している炭素繊維織物を繊維基材として用い、面方向に拡散するための媒体を置いた成形型に該繊維基材を少なくも１層以上積層し、その上にさらに媒体を置いたのち、繊維基材および媒体の全体をバッグフイルムで覆い、つぎにバッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、積層された繊維基材の表面に常温硬化型樹脂を拡散させ、繊維基材に該樹脂を含浸することを特徴とする繊維強化プラスチックの成形方法。
- トウ状の炭素繊維糸条からなる炭素繊維織物であり、該糸条のフイラメント数が４０，０００〜４００，０００本であるか、または、糸条繊度が２５，０００〜３５０，０００デニールであり、該糸条内で繊維同士が交絡している炭素繊維織物を繊維基材として用い、表面に樹脂の流路となる溝を有する成形材の上に該繊維基材を少なくとも１層以上積層し、さらに、繊維基材、成形材および媒体の全体をバックフィルムで覆い、次にバックフィルムで覆われた内部を真空状態にし、繊維基材と接している成形材の溝から樹脂を拡散させ、積層された繊維基材に常温硬化型熱硬化性樹脂を含浸させながら繊維基材と成形材とを一体化させることを特徴とする繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記成形材が発泡体であることを特徴とする請求項１３に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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