JP5665573B2 - 繊維強化プラスチック板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材として用いられる繊維強化プラスチック板及びその製造方法に関する。

近年、マトリックス樹脂を繊維によって強化した繊維強化プラスチック板は、軽量化メリットが大きいことから、風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材への適用が急速に進みつつある。

繊維強化プラスチック板は、繊維シートが積層された強化繊維基材に樹脂を含浸させたり、予め樹脂が繊維シートに含浸されたプリプレグを積層したりすることで作製される。
図５は、従来のドライファブリックを用いた一方向繊維強化プラスチック板の構造を模式的に示す断面図である。同図に示すように、繊維強化プラスチック１００は、マトリックス樹脂１０２と、マトリックス樹脂１０２を補強する繊維シートＳ１〜Ｓ４とを有する。各繊維シートＳ１〜Ｓ４を構成する繊維束１０４は、開繊により扁平形状になっている。そして、繊維束１０４の断面長軸方向が繊維強化プラスチック１００の板厚方向と直交している。

ところで、一方向繊維強化プラスチック板１００は、繊維束１０４の繊維方向に沿った引張強度は非常に大きい一方、繊維束１０４の繊維方向に沿った圧縮強度は本来発現すべき性能が得られないことが多い。
このように本来発現すべき圧縮強度が得られない原因は、板厚方向の繊維束１０４のうねり（蛇行）と、板厚方向に積層された繊維シートＳ１〜Ｓ４の層間のマトリックス樹脂１０２とにある。すなわち、板厚方向の繊維束１０４のうねりがあると、繊維方向に沿った圧縮荷重が繊維強化プラスチック板１００に付与された場合に、面外方向の力が発生し座屈やせん断破壊が起こりやすくなる。また、マトリックス樹脂１０２自体の弾性率及び破断強さが小さいため、繊維方向に沿った圧縮荷重によって面外方向に変形しようとする繊維束１０４をマトリックス樹脂が支えられない、あるいはマトリックス樹脂１０２そのものが破壊されてしまうという現象が起きてしまう。

そこで、圧縮荷重を負担するＦＲＰ層（［Ａ］層）の両面に、該ＦＲＰ層の変形を抑制する別のＦＲＰ層（［Ｂ］層）を設けた繊維強化プラスチック板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、強化繊維が一方向に配列したＦＲＰ層（［Ａ］層）の両面に、［Ａ］層の強化繊維の配列方向に対して４０°〜８０°の範囲内で強化繊維が配列したＦＲＰ層（［Ｂ］層）が形成される。
この繊維強化プラスチック板に圧縮荷重が付与された場合、圧縮荷重を負担するＦＲＰ層（［Ａ］層）の変形がＦＲＰ層（［Ｂ］層）によって防止されるから、繊維強化プラスチック板全体としての圧縮荷重が向上する。

特開２０００−２４６８０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の繊維強化プラスチック板では、圧縮荷重を負担するＦＲＰ層（［Ａ］層）の両面に設けたＦＲＰ層（［Ｂ］層）によって、［Ａ］層の変形を抑制して圧縮強度の向上を図るものであり、圧縮強度の低下要因（板厚方向の繊維束のうねり及び繊維シート間のマトリックス樹脂）を根本的に解消するものではない。このため、圧縮強度の低下要因を根本的に解消し、より一層大きな圧縮強度を実現しうる繊維強化プラスチック板の開発が望まれている。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、圧縮強度が大きな繊維強化プラスチック板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る繊維強化プラスチック板は、マトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂を強化する複数の繊維束とを備える繊維強化プラスチック板であって、前記繊維束は、板厚方向に略直交する板幅方向に積層され、前記繊維束の断面は扁平形状を有し、前記繊維束の断面の長軸方向が前記繊維強化プラスチック板の板厚方向に沿っていることを特徴とする。

この繊維強化プラスチックでは、繊維束を板厚方向に略直交する方向に積層したので、繊維束のうねりは板厚方向ではなく、主に板厚方向に略直交する方向に生ずる。このため、繊維強化プラスチック板に繊維方向に沿った圧縮荷重が付与されても、繊維束のうねりに起因する力は主として面内方向に生じ、面外方向の力はほとんど生じない。よって、繊維方向に沿った圧縮荷重が付与された場合における、繊維強化プラスチックの座屈やせん断破壊の発生を抑制できる。
また、繊維束を板厚方向に略直交する方向に積層したので、単独での弾性率及び破断強さが小さいマトリックス樹脂が板厚方向の層間において少なくなる。このため、繊維方向に沿った圧縮荷重の付与時における繊維強化プラスチック板の面外方向の変形が抑制されるとともに、繊維強化プラスチック板の座屈破壊及びせん断破壊の起点が低減される。
したがって、繊維強化プラスチック板が本来発現すべき圧縮強度が得られやすくなり、圧縮強度を大幅に向上させることができる。

上記繊維強化プラスチック板において、前記繊維束は、カーボン繊維からなっていてもよい。

繊維束がカーボン繊維からなる場合（ＣＦＲＰの場合）、板厚方向の繊維束のうねりが圧縮荷重に与える影響が大きいから、本発明による圧縮強度改善の大きな効果を享受できる。

上記繊維強化プラスチック板は、面内方向に湾曲した形状を有し、前記繊維束が湾曲形状に沿って連続していてもよい。

従来のように板厚方向に繊維束を積層した繊維強化プラスチック板では、面内方向に湾曲させて成形することは非常に困難であるため、例えば軸流ファン等のブレードなど、面内方向に湾曲した複雑な形状を有する部品を得るには、繊維を長手方向に分割せざるを得ない。
これに対し、上記繊維強化プラスチック板では、板厚方向に略直交する方向に繊維束が積層されているので、面内方向に湾曲させて成形可能であり、繊維束を湾曲方向に沿って連続させることができる。このため、湾曲形状であるにもかかわらず理論強度に近い強度が得られる。

本発明に係る上記繊維強化プラスチック板の製造方法は、前記繊維束に前記マトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを板幅方向に積層して成形することを特徴とする。

この製造方法によれば、繊維方向が板厚方向に略直交する方向に積層された上記繊維強化プラスチック板が得られる。そして、上記繊維強化プラスチック板は、上述のとおり、大きな圧縮強度を実現できる。

本発明によれば、繊維束を板厚方向に略直交する方向に積層したので、繊維束のうねりは板厚方向ではなく、板厚方向に略直交する方向に生ずるから、繊維方向に沿った圧縮荷重が繊維強化プラスチック板に付与されても、繊維束のうねりに起因する力は主として面内方向に生じ、面外方向の力はほとんど生じない。よって、繊維方向に沿った圧縮荷重が付与された場合における、繊維強化プラスチックの座屈やせん断破壊の発生を抑制できる。
また、繊維束を板厚方向に略直交する方向に積層したので、単独での弾性率及び破断強さが小さいマトリックス樹脂が板厚方向の層間において少なくなる。このため、繊維方向に沿った圧縮荷重の付与時における繊維強化プラスチック板の面外方向の変形が抑制されるとともに、繊維強化プラスチック板の座屈破壊及びせん断破壊の起点が低減される。
したがって、繊維強化プラスチック板が本来発現すべき圧縮強度が得られやすくなり、圧縮強度を大幅に向上させることができる。

第１実施形態に係る繊維強化プラスチック板の構造を模式的に示す断面図である。 プリプレグの積層により繊維強化プラスチック板を作製する様子を示す図である。 第２実施形態に係る繊維強化プラスチック板の構成例を示す斜視図である。 従来の繊維強化プラスチック板において繊維を長手方向に分割した様子を示す図である。 従来の繊維強化プラスチック板の構造を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る繊維強化プラスチック板について説明する。図１は、第１実施形態に係る繊維強化プラスチック板の構造を模式的に示す断面図である。同図に示すように、繊維強化プラスチック板１は、マトリックス樹脂２と、マトリックス樹脂２を補強する繊維束４とを有する。

マトリックス樹脂２は、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリブチレンテレフタレートに代表される熱可塑性樹脂であってもよい。
また繊維束４は、多数のフィラメントが束にまとめられたものであり、繊維束４を構成する繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の公知の繊維を用いることができる。なお、繊維束４がカーボン繊維からなる場合、板厚方向の繊維束４のうねりが繊維強化プラスチック板１の圧縮荷重に与える影響が大きいから、本実施形態による圧縮強度改善の大きな効果を享受できる。

本実施形態では、繊維束４が、繊維強化プラスチック板１の板厚方向に略直交する方向に積層されている。
このため、繊維束４のうねりは板厚方向ではなく、板厚方向に略直交する方向に生ずることとなり、繊維強化プラスチック板１に繊維方向に沿った圧縮荷重が付与されても、繊維束４のうねりに起因する力は主として面内方向に生じ、面外方向の力はほとんど生じない。よって、圧縮荷重が付与された場合における、繊維強化プラスチック１の座屈やせん断破壊の発生を抑制できる。
また、繊維束４を板厚方向に略直交する方向に積層したので、単独での弾性率及び破断強さが小さいマトリックス樹脂２が板厚方向の層間において少なくなる。このため、繊維方向に沿った圧縮荷重の付与時における繊維強化プラスチック板１の面外方向の変形が抑制されるとともに、繊維強化プラスチック板１の座屈破壊及びせん断破壊の起点が低減される。
したがって、繊維強化プラスチック板１が本来発現すべき圧縮強度が得られやすくなり、圧縮強度を大幅に向上させることができる。

なお、繊維束４は扁平形状を有しており、その長軸方向が繊維強化プラスチック板１の板厚方向に沿っていることが好ましい。これにより、板厚方向の繊維束４のうねりがより一層低減されるとともに、板厚方向における繊維束４の層間の数が少なくなり、繊維強化プラスチック板１の座屈破壊及びせん断破壊の発生をより一層抑制できる。

上記構成の繊維強化プラスチック板１は、繊維束４にマトリックス樹脂２を含浸させたプリプレグを板幅方向に積層して成形してもよい。
図２は、プリプレグの積層により繊維強化プラスチック板１を作製する様子を示す図である。同図に示すように、繊維束４にマトリックス樹脂２を含浸させたプリプレグ６を繊維強化プラスチック板１の板幅方向に積層して成形する。
このとき、繊維強化プラスチック板１の板厚に合わせて予め裁断されたプリプレグ６を板厚方向に積層して繊維強化プラスチック板１を得てもよいし、幅広のプリプレグ６を積層して得られた直方体状の積層体を所望の板厚に裁断して繊維強化プラスチック板１を得てもよい。前者の場合、プリプレグ６の積層数を減らして作業効率を向上させる観点から、繊維強化プラスチック板１の板厚の２倍の幅を有するプリプレグ６を二つ折にしたものを積層し、繊維強化プラスチック板１を作製してもよい。

なお、プリプレグ６は、繊維束４が一方向に配列した一方向繊維プリプレグであってもよいし、繊維束４が縦方向及び横方向に配列されたクロスプリプレグであってもよい。

このようにして得られた繊維強化プラスチック板１は、上述のように、マトリックス樹脂２を強化する繊維束４が繊維強化プラスチック板１０の板厚方向に略直交する方向（すなわち、板幅方向）に積層されている。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る繊維強化プラスチック板について説明する。図３は、第２実施形態に係る繊維強化プラスチック板の構成例を示す斜視図である。

図３に示す繊維強化プラスチック板１０は、プリプレグ６が板幅方向に積層されており、第１実施形態の繊維強化プラスチック板１と同様の内部構造を有する。すなわち、マトリックス樹脂２を強化する繊維束４が繊維強化プラスチック板１０の板厚方向に略直交する方向（板幅方向）に積層されている。

ところで、従来のように板厚方向に繊維束を積層した繊維強化プラスチック板では、面内方向に湾曲させて成形することは非常に困難であるため、例えば軸流ファン等のブレードなど、面内方向に湾曲した複雑な形状を有する部品を得るには、繊維を長手方向に分割せざるを得ない。
図４は、従来の繊維強化プラスチック板において繊維を長手方向に分割した様子を示す図である。同図に示すように繊維強化プラスチック板１１０では、分割線Ｌ１〜Ｌ３において繊維束が分割されている。このため、繊維強化プラスチック板１１０は、繊維束が湾曲方向に沿って連続していないため、強度が十分とはいえない。

これに対し、繊維強化プラスチック板１０は、板厚方向に略直交する方向（板幅方向）に繊維束４が積層されているので、図３に示すように面内方向に湾曲させて成形可能であり、繊維束４を湾曲形状に沿って連続させることができる。このため、湾曲形状であるにもかかわらず理論強度に近い強度が得られる。
なお、図３に示す例では、繊維強化プラスチック板１０は面内方向だけでなく面外方向にも湾曲している。

［実施例１］
第１実施形態に係る繊維強化プラスチック板１を、以下のようにして作製した。

ガラス繊維のプリプレグ６（繊維目付け１６００ｇ／ｍ^２）を幅５０ｍｍ、長さ６００ｍｍに裁断し、幅方向に二つ折にしたものを平型上に１００枚積層し、バキュームバッグフィルムを用いた減圧加熱成形により、幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍの繊維強化プラスチック板１を得た。

このようにして得られた繊維強化プラスチック板１から圧縮強度試験片を作製し、圧縮破断強さを測定したところ、７００ＭＰａであった。

一方、比較例として、上記プリプレグ６を板厚方向に積層して繊維強化プラスチック板を成形し、その圧縮破断強さを測定したところ、６００ＭＰａであった。

［実施例２］
実施例１と同様に、第１実施形態に係る繊維強化プラスチック板１を、以下のようにして作製した。

カーボン繊維のプリプレグ６（繊維目付け１６００ｇ／ｍ^２）を幅５０ｍｍ、長さ６００ｍｍに裁断し、幅方向に二つ折にしたものを平型上に２５０枚積層し、バキュームバッグフィルムを用いた減圧加熱成形により、幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍの繊維強化プラスチック板１を得た。

このようにして得られた繊維強化プラスチック板１から圧縮強度試験片を作製し、圧縮破断強さを測定したところ、１４００ＭＰａであった。

一方、比較例として、上記プリプレグ６を板厚方向に積層して繊維強化プラスチック板を成形し、その圧縮破断強さを測定したところ、１１００ＭＰａであった。

［実施例３］
第２実施形態に係る繊維強化プラスチック板１０を、以下のようにして作製した。

カーボン繊維のプリプレグ６（繊維目付け２００ｇ／ｍ^２）を幅１０ｍｍ、長さ６００ｍｍに裁断し、平型上に２００枚積層し、バキュームバッグフィルムを用いた減圧加熱成形を行った。この際、プリプレグ６は、型上に設置した半径３００ｍｍの円弧を持つ積層ジグに沿わせるように積層した。このようにして、プリプレグ６の繊維束を長手方向に分割せずに、幅４００ｍｍの繊維強化プラスチック板１０を作製した。

このようにして得られた繊維強化プラスチック板１０の曲げ弾性率は、湾曲形状であるにもかかわらず、理想強度に近い値が得られた。

１ 繊維強化プラスチック板
２ マトリックス樹脂
４ 繊維束
６ プリプレグ
１０ 繊維強化プラスチック板
１００ 繊維強化プラスチック板
１０２ マトリックス樹脂
１０４ 繊維束
１１０ 繊維強化プラスチック板

Claims (6)

1. マトリックス樹脂と、
   前記マトリックス樹脂を強化する複数の繊維束とを備える繊維強化プラスチック板であって、
   前記繊維束は、板厚方向に略直交する板幅方向に積層され、
   前記繊維束の断面は扁平形状を有し、前記繊維束の断面の長軸方向が前記繊維強化プラスチック板の板厚方向に沿っていることを特徴とする繊維強化プラスチック板。
2. 前記繊維束は、前記板厚方向及び前記板幅方向を含む平面に直交する繊維方向に沿って連続してい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板。
3. 前記マトリックス樹脂が、前記板幅方向の層間よりも、前記板厚方向の層間において少ない請求項１に記載の繊維強化プラスチック板。
4. 前記繊維束は、カーボン繊維からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック板。
5. 面内方向に湾曲した形状を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック板であって、
   前記繊維束が湾曲形状に沿って連続していることを特徴とする繊維強化プラスチック板。
6. 前記繊維束に前記マトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを板幅方向に積層して成形することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック板の製造方法。

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