JP4810481B2 - 繊維強化樹脂用複合糸と中間体及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Description

本発明は、天然繊維を含む繊維強化樹脂用複合糸と中間体及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体に関する。

自動車や飛行機、車両などの内装にはプラスチックが使用され、金属に比較して軽量化されている。プラスチックだけでは強度が不足するため、プラスチックにガラスの短繊維（一定の長さにカットしたもの）を混入している。しかし廃棄したときに、焼却炉で燃焼させると、プラスチックは分解してＣＯ₂と水になるが、ガラスは溶融して固まり、焼却炉内部に付着する。これにより焼却炉の寿命が著しく低下するといった問題が懸念されている。ガラスのような高い強度を持つ材料として、炭素繊維が知られているが、高価で実用的用途には使用できない問題がある。

そこで、近年天然繊維による繊維強化熱可塑性樹脂成形体（ＦＲＴＰ）は社会的に関心が高まっている。これは、リサイクル可能であり、その中でマテリアルリサイクルとして繰り返し使用可能であること、サーマルリサイクルとして燃焼時に有毒ガスがでないこと、エネルギー問題による移動体の軽量化が可能であり、軽量化することで燃費を向上できること、植物系天然繊維は光合成時に二酸化炭素をその内部に吸収し、燃焼させても排出される二酸化炭素は元と変わらないことから、環境問題を起こさないことが挙げられる。

補強繊維に天然繊維を用いた繊維強化樹脂は、特許文献１〜２に提案されている。特許文献１には、麻繊維の短繊維を不織布、織物、編み物に加工して繊維補強樹脂にすることが記載され、特許文献２には、ケナフ繊維の短繊維を不織布、織物に加工して繊維補強樹脂にすることが記載されている。
特開２００４−１４３４０１号公報 特開２００４−１４９９３０号公報

しかし、特許文献１〜２は、麻繊維やケナフ繊維の短繊維を用いて不織布、織物、編み物に加工し、樹脂と溶融混合するか含浸して繊維強化樹脂（ＦＲＰ）にするため、繊維内部に樹脂が浸透しにくく、大掛かりな装置が必要であり、成形も容易でないという問題があった。特に、天然繊維は、ガラス繊維や炭素繊維に比べて分解温度が低く、マトリックス樹脂となる熱可塑性樹脂を、浸透容易となる粘度にまで加熱することができず、浸透性の問題が非常に重要であった。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、天然繊維糸内部に樹脂が浸透し易く、成形性がよく、環境問題がなく、強度が高く、均一な物性の繊維強化樹脂用複合糸と中間体及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体を提供する。

本発明の繊維強化樹脂用複合糸は、天然繊維を含む１本又は複数本の糸を芯糸とし、前記芯糸の周囲を合成樹脂繊維糸でカバリングした繊維強化樹脂（ＦＲＰ）用複合糸を複数本引き揃え、その周囲を前記合成樹脂繊維糸でカバリングした繊維強化樹脂用複合糸であり、前記合成樹脂繊維糸はＦＲＰにしたときにマトリックス樹脂となる熱可塑性合成樹脂材料とすることを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂用中間体は、前記繊維強化樹脂用複合糸を、織物、編み物、多軸挿入たて編み物、又は組み物としたことを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、前記繊維強化樹脂用中間体を、前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形したものである。

本発明の別の繊維強化樹脂成形体は、前記繊維強化樹脂用複合糸を少なくとも一方向に配列し、前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形したものである。

本発明は、天然繊維を含む１本又は複数本の糸を芯糸とし、芯糸の周囲をＦＲＰにしたときにマトリックス樹脂となる熱可塑性合成樹脂繊維糸でカバリングする。これにより、芯糸とカバリング糸との接触面積を大きくでき、熱可塑性合成樹脂の融点以上に加熱したときに、溶融した熱可塑性合成樹脂が迅速に天然繊維糸に浸入し、天然繊維糸と溶融熱可塑性合成樹脂の複合一体化が効率的に行われる。すなわち、繊維糸内部に樹脂が浸透し易い。この結果、成形性がよく、強度が高く、均一な物性の繊維強化樹脂が得られる。また、天然繊維を用いていることから、廃棄の際の環境問題を解消することができる。さらに、天然繊維糸を用いることで、連続繊維として扱うことが可能になり、体積含有率（Ｖｆ）を向上させることが可能である。また、天然繊維特有の個体差や収穫された場所での差異などがあっても、紡績前工程で混合されることにより安定した物性を得ることができる。

本発明においては、天然繊維を含む１本又は複数本の糸を芯糸とし、前記芯糸の周囲を合成樹脂繊維糸でカバリングして繊維強化樹脂（ＦＲＰ）用複合糸とする。前記合成樹脂繊維糸はＦＲＰにしたときにマトリックス樹脂となる熱可塑性合成樹脂材料とする。このようにすると、前記複合糸を所定の方向に揃えて加熱プレス成形することにより、前記カバリング糸（合成樹脂繊維糸）は溶融してそのままＦＲＰのマトリックス樹脂となる。溶融した熱可塑性合成樹脂は迅速に天然繊維糸に浸入し、天然繊維糸と溶融熱可塑性合成樹脂の複合一体化が効率的に行われる。

本発明においては、前記ＦＲＰ用複合糸をさらに複数本引き揃え、その周囲を前記合成樹脂繊維糸でカバリングすることが非常に好ましい。通常太い糸は樹脂浸透性が悪化する傾向にあるが、このようにすると、樹脂浸透性が良好な状態で繊度の太い糸も使用できる。そして、繊度の太い糸も使用しても、天然繊維糸と溶融熱可塑性合成樹脂の複合一体化を効率的よく行うことができる。

前記芯糸又は前記複数本のＦＲＰ用複合糸に、さらに前記合成繊維糸を加えてもよい。このようにすると、天然繊維糸間の内部における天然繊維と溶融熱可塑性合成樹脂の複合一体化を効率的よく行うことができる。

本発明で使用できる天然繊維としては植物系天然繊維が好ましく、具体的には綿繊維、麻繊維、ケナフ繊維、竹繊維、カポック等が挙げられる。とくに、亜麻糸（リネン）繊維又はラミー等の麻繊維が好ましい。麻繊維は一年草で３ヶ月で収穫でき、原料供給も安定しているからである。前記麻繊維は平衡水分率を有する状態で使用できる。平衡水分率であれば、強度を高く維持できるからである。

本発明で使用できる熱可塑性合成樹脂繊維糸は、通常ＦＲＰのマトリックス樹脂として使用されている樹脂であって、かつ天然繊維の分解温度より低い融点を有する樹脂が好ましい。例えば天然繊維として麻繊維を使用する場合は、２００℃以下の融点を有する樹脂が好ましい。このような熱可塑性合成樹脂繊維糸としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、及びこれらの共重合体、共重合ポリエステル、共重合ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、共重合ポリアセタール、ポリ乳酸、ポリコハク酸ブチルなどの繊維がある。

前記天然繊維糸と前記合成繊維糸の配合割合は、重量比で天然繊維糸：合成繊維糸＝７０：３０〜３０：７０の範囲が好ましい。この範囲であれば、天然繊維糸と溶融熱可塑性合成樹脂の複合一体化を効率よく行える。

本発明の繊維強化樹脂用複合糸は、糸そのものをロービング法などにより引き揃えてＦＲＰにすることができる。その他、織物、編み物、多軸挿入たて編み物、又は組み物とし、繊維強化樹脂用中間体とすることもできる。これらの中間体は、最終成形体に使用するためのプリプレグとすることもできる。織物、編み物、多軸挿入たて編み物は、シート状に成形して使用でき、組み物はパイプ状に成形して使用できる。織物及び編み物の組織は、公知のいかなる組織でも使用できる。

このような成形体を製造するには、金型温度を、前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形する。また、繊維強化樹脂用複合糸を少なくとも一方向に配列し、金型温度を、前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形して繊維強化樹脂成形体を得ることもできる。特に、天然繊維中への熱可塑性樹脂の含浸性を考慮するならば、上記温度範囲であって、なるべく高い温度、例えば分解温度より２０〜４０℃低い温度で成形するのが好ましい。天然繊維として麻繊維を使用する場合は、金型温度は２００℃以下が好ましく、さらには１６０〜１８０℃が好ましい。

前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、従来の公知の成形方法の使用が可能であり、ホットスタンピング法、プリプレグ成形法、ＳＭＣ成形法等が挙げられる。熱可塑性樹脂のフィルムを溶融して圧縮加工したフィルムスタッキング法により成形してもよい。

次に図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。繊維強化樹脂用複合糸１０は、１本の芯糸の天然繊維糸１１の周囲を合成樹脂繊維糸１２でカバリングしている。天然繊維糸１１は撚糸、解撚糸、無撚糸、結束糸、スライバー糸などどのようなものであっても良い。合成樹脂繊維糸１２はフィラメントヤーンでも紡績糸でもよい。コスト的にはフィラメントヤーンが好ましい。フィラメントヤーンはマルチフィラメントでもモノフィラメントでも使用できる。天然繊維糸１１と合成樹脂繊維糸１２の繊度は、１０〜１，０００texの範囲で使用可能である。

次に図２は本発明の別の実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。繊維強化樹脂用複合糸１３は、３本の芯糸の天然繊維糸１１ａ〜１１ｃの周囲を合成樹脂繊維糸１２でカバリングしている。

次に図３は本発明のさらに別の実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。繊維強化樹脂用複合糸１６は、４本の芯糸の天然繊維糸１１ａ〜１１ｄのそれぞれの周囲を合成樹脂繊維糸１２ａ〜１２ｄでカバリングしたものと、マトリックス樹脂となる合成樹脂繊維１４を芯糸とし、その外側周囲を合成樹脂繊維糸１５でカバリングしている。この例においては、合成樹脂繊維１４は使用しなくても良い。

次に図５は、多軸挿入たて編み物の概念斜視図である。複数の方向に各々配列された天然繊維糸（例えば亜麻糸紡績糸）１ａ〜１ｆは、編針６に掛けられたステッチング糸７，８によって厚さ方向にステッチング（結束）され、一体化されている。このような多軸挿入たて編み物を繊維補強中間体とし、加熱プレス成形することもできる。この多軸状の積層シートは、多方向に補強効果の優れた繊維強化プラスチックを得ることが可能となる。ステッチング糸の代わりに、又は併用してバインダーを用いても良い。

以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例においては、図３に示すような構造の複合糸１６を作製した。まずラミー紡績糸（１４３ｔｅｘ）１１ａ〜１１ｄを、それぞれ３４０ｄのＰＰフィラメント糸１２ａ〜１２ｄでカバリングマシンを用いてカバリングした。この糸４本を配置し、中央にＰＰフィラメント１４を４本引き揃えて配置し、これらをまとめるようにＰＰフィラメント糸１５でカバリングマシンを用いてカバリングすることで１本の複合糸１６を形成した。最後の加工時には構造が崩れないように、緩やかにＳ５５の撚りをかけた。ラミー紡績糸とＰＰ糸（１次カバリング＋２次カバリング＋芯糸の合計）の割合は、重量比で５０：５０であった。

初めのカバリングの際に、紡績糸１１ａ〜１１ｄと逆回転の撚りを与えることで紡績糸の撚りを戻す操作を行った。紡績糸１１ａ〜１１ｄの撚りはＺ２００であったので、下記のように設定した。

これらの糸を用いて、プレス法により成形体を作成した。図６Ａは本発明の一実施例の加熱プレス法による成形体の製造方法を示す平面図、図６Ｂは同製造方法の断面図である。メタルフレーム２に、複合糸１ａ，１ｂを図６Ａのように一方向に巻き付けた。複合糸の巻きつけ本数は、幅２０ｍｍに対し１３２本、巻きつけ重量３．１ｇであった。なお、図６Ａにあるとおりメタルフレーム２に一定間隔を置いて２カ所巻き付けた。この巻きつけた複合糸に、図６Ｂに示すように、熱プレス金型４，５によってラミー紡績糸とＰＰフィラメント糸を加熱加圧し、溶融一体化させた。ＰＰフィラメント糸の融点が１３４℃、ラミー紡績糸の分解温度約２００℃であったので、金型温度は１６０℃とし、圧力は１０ＭＰａ、時間を１０分とした。

得られた成形品を長さ１８０ｍｍにカットし、引張試験片（長さ１８０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚み約１．２ｍｍ）を作成した。なお、引張試験は、ＪＩＳＫ７０５４：１９９５に準じ、オートグラフ（島津製作所製：ＡＧ−５０００Ｂ）を用いて、つかみ具間距離８０ｍｍ、試験速度１ｍｍ／ｍｉｎで行った。これらの成形体の引張試験結果を下記に示す。

これらの結果から弾性率の大きな差異はないが、強度の点で加工時の解撚操作をしない方が良いことがわかった。

また成形体の各断面を顕微鏡で観察したところ、イ、ロ、ハ共に同様の状態であり、解撚しても樹脂の含浸に影響がないことがわかった。さらに各成形体とも、紡績糸が集合した部分とマトリックス樹脂の部分がはっきりと分かれていることがわかった。

（実施例２）
次に実施例１と同じ１４３ｔｅｘのラミー紡績糸を用い、ＰＰフィラメント糸でカバリングした。この糸を３本用いて、実施例１と同様の方法で複合糸を作成した。

この糸を用いて、実施例１と同様にプレス法により成形体を作成した。

これらの成形体の引張試験結果を表２の結果と比較して下記に示す。

実験番号ニの樹脂の含浸状態は、イ〜ハと同様であったが、紡績糸がマトリックス樹脂に均一に分散していることが解った。

（実施例３）
図２に示すように、４２ｔｅｘのラミー紡績糸（Ｚ４２０）を３本引き揃え、ＰＰフィラメント糸でカバリングしたものを作成した。更にこれを４本引き揃えて、図４に示すように構造が崩れないようにＰＰフィラメント糸１５でカバリングした複合糸を作成した。ラミー紡績糸とＰＰ糸（１次カバリング＋２次カバリングの合計）の割合は、重量比で５０：５０であった。

成形条件は、実施例１と同様であり、ＰＰフィラメント糸の融点が１３４℃、ラミー紡績糸の分解温度約２００℃であったので、１６０℃に設定した。圧力は１０ＭＰａ、時間を１０分とした。この実施例は実験番号ホとした。

これらの成形体の引張試験結果を実施例１〜２の結果と比較して下記に示す。

実験番号ホの含浸状態はイ〜ニと同様だが、ホでは紡績糸がマトリックス樹脂により均一に分散していることが解った。

これらの結果より、紡績糸を細くすることで弾性率と強度を向上でき、なおかつマトリックス樹脂と紡績糸を複数本合わせて複合糸にするので、細い紡績糸を用いて基材を製造するよりも製造時間を短縮できることがわかった。そして成形工程においても、すでに強化基材の状態でマトリックス樹脂と強化繊維が一定比率で複合されているので、成形時にマトリックス樹脂を導入する必要がなく、工程を大幅に省くことが可能である。また、各層にマトリックス樹脂が複合されているので、成形時の時間も短縮されるという利点がある。

図１は本発明の一実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。 図２は本発明の別の実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。 図３は本発明のさらに別の実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。 図４は本発明のさらに別の実施形態における繊維強化樹脂用複合糸の斜視図である。 図５は本発明の応用例を示す多軸挿入たて編物の概念斜視図である。 図６Ａは本発明の一実施例の加熱プレス法による成形体の製造方法を示す平面図、図６Ｂは同製造方法の断面図である。

符号の説明

１，１ａ−１ｆ 麻繊維からなる紡績糸
２ メタルフレーム
３ａ−３ｄ ポリプロピレン（ＰＰ）フィルム
４，５ 熱プレス金型
６ 編針
７，８ ステッチング糸
１０，１３，１６ 繊維強化樹脂用複合糸
１１，１１ａ〜１１ｄ 天然繊維糸からなる芯糸
１２，１２ａ〜１２ｄ 合成樹脂繊維糸からなるカバリング糸
１４ 合成樹脂繊維糸からなる芯糸
１５ 合成樹脂繊維糸からなる外側カバリング糸

Claims (7)

1. 天然繊維を含む１本又は複数本の糸を芯糸とし、前記芯糸の周囲を合成樹脂繊維糸でカバリングした繊維強化樹脂（ＦＲＰ）用複合糸を複数本引き揃え、その周囲を前記合成樹脂繊維糸でカバリングした繊維強化樹脂用複合糸であり、
   前記合成樹脂繊維糸はＦＲＰにしたときにマトリックス樹脂となる熱可塑性合成樹脂材料とすることを特徴とする繊維強化樹脂用複合糸。
2. 前記芯糸又は前記複数本のＦＲＰ用複合糸に、さらに前記合成繊維糸を加えた請求項１に記載の繊維強化樹脂用複合糸。
3. 前記天然繊維糸は、麻の紡績糸である請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂用複合糸。
4. 前記天然繊維糸と前記合成繊維糸の配合割合は、重量比で天然繊維糸：合成繊維糸＝７０：３０〜３０：７０の範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂用複合糸。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂用複合糸を、織物、編み物、多軸挿入たて編み物、又は組み物とした繊維強化樹脂用中間体。
6. 請求項５に記載の繊維強化樹脂用中間体を、金型温度で前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形した繊維強化樹脂成形体。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂用複合糸を少なくとも一方向に配列し、金型温度を前記合成樹脂繊維糸の融点以上、前記天然繊維の分解温度より２０℃低い温度以下に加熱してプレス成形した繊維強化樹脂成形体。

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