JP5959403B2 - 繊維強化樹脂材、及び該繊維強化樹脂材の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維及び液晶ポリマー繊維を含む繊維強化樹脂材、及び該繊維強化樹脂材の製造方法に関する。
従来、強化繊維からなる繊維材料に樹脂を含めた繊維強化樹脂材が、スポーツ用品、レジャー用品、自動車、航空機、その他の産業資材用途など、広い分野で利用されている。このうち、炭素繊維を利用する炭素繊維強化樹脂材(例えば特許文献1)は、弾性率が高いことで、ゴルフクラブや釣竿など、衝撃緩和性を要する製品に使用されている。
特開2012−106461号公報
ところで、上述の炭素繊維強化樹脂材は、一般に製造コストが高い。そこで、製造コストを安価に抑える試みとして、炭素繊維からなる層の間に、材料コストの安価なガラス繊維やビニロン繊維(以下、ガラス繊維等)からなる層を挟み込ませることが行われている。しかしながら、このような繊維材では、ガラス繊維等の弾性率が低い上に、該ガラス繊維等の弾性率が、全体の弾性率に対して支配的になる。このため、炭素繊維強化樹脂材と同等の高い弾性率を得ることができなかった。
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであって、その目的は、弾性率が高い繊維強化樹脂材、及び該繊維強化樹脂材の製造方法を提供することである。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、炭素繊維プリプレグ(樹脂を含む炭素繊維の繊維材料)からなる層の間に、液晶ポリマー繊維プリプレグ(樹脂を含む液晶ポリマー繊維の繊維材料)からなる層を配置することで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の第1の観点に係る繊維強化樹脂材は、炭素繊維プリプレグから構成される炭素繊維層と、液晶ポリマー繊維プリプレグから構成される液晶ポリマー繊維層とを備え、前記炭素繊維プリプレグは、炭素繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませたものであり、前記液晶ポリマー繊維プリプレグは、液晶ポリマー繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませたものであり、前記液晶ポリマー繊維層は、前記炭素繊維層の間に存在する。
好ましくは、前記液晶ポリマー繊維の繊維材料は、前記液晶ポリマー繊維の織物である。
本発明の第2の観点に係る繊維強化樹脂材の製造方法は、液晶ポリマー繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、液晶ポリマー繊維プリプレグを得る第1工程と、炭素繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、炭素繊維プリプレグを得る第2工程と、前記第1工程で得られた前記液晶ポリマー繊維プリプレグの上下に、前記第2工程で得られた前記炭素繊維プリプレグを配置する第3工程と、前記第3工程で得られた前記液晶ポリマー繊維プリプレグ及び前記炭素繊維プリプレグの積層体を加熱及び加圧することで、前記液晶ポリマー繊維プリプレグと前記炭素繊維プリプレグとを密着させる第4工程とを有する。
好ましくは、前記第1工程又は前記第2工程では、前記エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含む樹脂シートに、前記液晶ポリマー繊維又は前記炭素繊維の繊維材料を重ね合わせた後、前記樹脂シートを加圧及び加熱することで、前記樹脂シートに含まれる樹脂を溶融させて、該溶融した樹脂を前記炭素繊維又は前記液晶ポリマー繊維の繊維材料に含ませる。
好ましくは、前記第1工程又は前記第2工程では、前記エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を貯留する槽内に前記炭素繊維又は前記液晶ポリマー繊維の繊維材料を浸漬することで、前記エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を前記炭素繊維又は前記液晶ポリマー繊維の繊維材料に含ませる。
本発明によれば、液晶ポリマー繊維層は、繊維強化樹脂材全体の弾性率を高める作用を生じる。このため、本発明の繊維強化樹脂材は、厚さ等が同程度の炭素繊維のみで強化された樹脂材に比して、高い弾性率を有する。
本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂材を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂材の製造に使用される炭素繊維プリプレグや液晶ポリマー繊維プリプレグを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂材の製造に使用される炭素繊維プリプレグや液晶ポリマー繊維プリプレグを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂材の製造方法を示すフローチャートである。 樹脂シートを示す概略断面図である。 液晶ポリマー繊維の繊維材料に樹脂シートを重ね合わさせた状態を示す概略断面図である。 液晶ポリマー繊維の繊維材料及び樹脂シートの積層体を、ホットプレート上に載置した状態を示す概略断面図である。 液晶ポリマー繊維プリプレグを樹脂シートから分離する状態を示す概略断面図である。 真空雰囲気の圧力と、真空雰囲気の温度と、成形時間との関係を示すグラフである。 比較例1の繊維強化樹脂材を示す概略断面図である。 比較例2の繊維強化樹脂材を示す概略断面図である。 比較例3の繊維強化樹脂材を示す概略断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る繊維強化樹脂材1を示す概略断面図である。図2,図3は、繊維強化樹脂材1の製造に使用される炭素繊維プリプレグ5や液晶ポリマー繊維プリプレグ6を示す概略断面図である。
図1に示すように、実施の形態に係る繊維強化樹脂材1は、炭素繊維層2と、炭素繊維層3と、液晶ポリマー繊維層4とを備える。液晶ポリマー繊維層4は、炭素繊維層2と炭素繊維層3との間に存在する。
炭素繊維層2,3は、各々、炭素繊維プリプレグ5から構成される(図2、図3)。炭素繊維プリプレグ5は、炭素繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませたものである。
炭素繊維層2,3を構成する炭素繊維プリプレグ5の数は、1或いは任意の複数の数に設定される。図2,3は、炭素繊維層2,3を、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5から構成する場合の例を示す。
炭素繊維プリプレグ5に含まれる繊維材料は、例えば、炭素繊維の織物である。炭素繊維として、例えば、東レ株式会社製のT300−3000を使用できる。
液晶ポリマー繊維層4は、液晶ポリマー繊維プリプレグ6から構成される(図2、図3)。液晶ポリマー繊維プリプレグ6は、液晶ポリマー繊維の繊維材料9(後述の図6)に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませたものである。
液晶ポリマー繊維層4を構成する液晶ポリマー繊維プリプレグ6の数は、1或いは任意の複数の数に設定される。図2は、液晶ポリマー繊維層4を、1枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6から構成する場合の例を示す。図3は、液晶ポリマー繊維層4を、2枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6から構成する場合の例を示す。
液晶ポリマーは、溶融相において、光学的異方性(液晶性)を示す芳香族ポリエステルから主に構成される。上記の繊維材料9に含まれる液晶ポリマー繊維は、芳香族ポリエステル系樹脂から形成される。芳香族ポリエステル系樹脂は、熱可塑性樹脂に属する合成樹脂であり、溶融状態で分子の直鎖が規則正しく並んだ液晶様性質を示す。芳香族ポリエステル系樹脂は、パラヒドロキシ安息香酸などを基本構造としつつ、各種の成分と直鎖状にエステル結合されたものであり、例えば、芳香族ジオール、芳香族ジカルボン酸、芳香族ヒドロキシカルボン酸から誘導される反復構成単位の組み合わせからなる。
液晶ポリマー繊維の繊維材料9は、例えば、複数本の液晶ポリマー繊維を平行に配列したものである。或いは、繊維材料9は、液晶ポリマー繊維の織物であってもよい。この場合、繊維材料9は、縦糸及び横糸からなる2軸織物とすることができる。或いは、繊維材料9は、縦糸や横糸と、これらに対して斜めに交差する斜糸とからなる3軸織物とすることができる。或いは、繊維材料9は、縦糸や横糸と、これらに対して斜めに交差する第1斜糸及び第2斜糸とからなり、第1斜糸及び第2斜糸が直交する4軸織物とすることができる。上記いずれの場合においても、繊維材料9に含まれる液晶ポリマー繊維は、総繊度が、28dT以上、2200dT以下であることが好ましい。また、繊維材料9は、厚さが50μm以上、2000μm以下であることが好ましい。また、上記液晶ポリマー繊維として、例えば、KBセーレン株式会社製のゼクシオン(登録商標)を使用できる。
次に、図4を用いて、繊維強化樹脂材1の製造方法を説明する。
まず、液晶ポリマー繊維の繊維材料9に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、液晶ポリマー繊維プリプレグ6を得る(ステップS1)。
ステップS1は、図5に示す樹脂シート10を用いて行われる。樹脂シート10は、離型紙10aと、これに積層される樹脂層10bとからなる。樹脂層10bには、上述の樹脂(エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂)と、硬化剤と、硬化促進剤と、添加剤とを配合した組成物が含まれる。樹脂層10bは、上記組成物を、離型紙10aの表面に塗工した後、乾燥して、上記組成物に含まれる樹脂をB−ステージ状態(半硬化状態)にしたものである。
ステップS1(図4)では、まず、図6に示すように、繊維材料9の上下に、樹脂シート10が重ね合わされる。この際、各樹脂シート10は、樹脂層10bが繊維材料9側となるように、向きが調整される。
ついで、図7に示すように、液晶ポリマー繊維の繊維材料9及び樹脂シート10の積層体を、ホットプレート7上に載置する。そして、ホットプレート7を100℃程度に加熱し、積層体の上面にローラ8を押し付けて、ローラ8を積層体の上面に沿って転動させる。これにより、樹脂シート10が加圧及び加熱される。この結果、樹脂シート10に含まれる樹脂が溶融して、該溶融した樹脂が液晶ポリマー繊維の繊維材料9に含まれて、液晶ポリマー繊維プリプレグ6が得られる。また、ローラ8が積層体の上面に沿って転動することで、液晶ポリマー繊維プリプレグ6は、全体に樹脂が含まれたものになる。
ついで、図8に示すように、液晶ポリマー繊維プリプレグ6と樹脂シート10とを分離する。さらに、液晶ポリマー繊維プリプレグ6を冷却する。以上で、ステップS1(図4)が終了する。
ステップS2(図4)では、炭素繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、炭素繊維プリプレグ5を得る。
ステップS2においても、ステップS1と同様、樹脂シート10、ホットプレート7、及びローラ8を用いる方法で、炭素繊維の繊維材料に、上記の樹脂(エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂)を含ませる。
ステップS3では、図2,図3に示すように、ステップS1で得られた液晶ポリマー繊維プリプレグ6の上下に、ステップS2で得られた炭素繊維プリプレグ5を配置する(ステップS3)。
図2の例では、1枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6の上下に、炭素繊維プリプレグ5が2枚ずつ配置されている。図3の例では、2枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6の上下に、炭素繊維プリプレグ5が2枚ずつ配置されている。
ついで、ステップS3で得られた炭素繊維プリプレグ5及び液晶ポリマー繊維プリプレグ6の積層体を加圧及び成形する(ステップS4)。ステップS4における加圧及び成形は、フィラメントワインディング、シートワインディング、プレス、オートクレブ等により行われる。この結果、積層体に含まれる炭素繊維プリプレグ5及び液晶ポリマー繊維プリプレグ6が密着して、所定寸法に成形された繊維強化樹脂材1(図1)が得られる。
本実施の形態によれば、液晶ポリマー繊維層4は、繊維強化樹脂材1全体の弾性率を高める作用を生じる。このため、繊維強化樹脂材1は、厚さ等が同程度の炭素繊維のみで強化された樹脂材に比して、高い弾性率を有する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲において種々変更することができる。
例えば、図4に示すステップS1又はS2では、各々、溶融状態にある樹脂(エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂)を貯留する槽内に、炭素繊維の繊維材料又は液晶ポリマー繊維の繊維材料9を浸漬させることで、これらの繊維材料に上記樹脂を含ませてもよい。このようにしても、上記樹脂を全体に含む炭素繊維プリプレグ5又は液晶ポリマー繊維プリプレグ6を得ることができる。
また、上記実施の形態では、炭素繊維層2,3の間に液晶ポリマー繊維層4が存在する例を示したが、炭素繊維層を2以外の複数設けて、該複数の炭素繊維層のうちいずれか2つの炭素繊維層の間に、液晶ポリマー繊維層が存在するようにしてもよい。
次に、本発明の繊維強化樹脂材1の弾性率を確認した試験について説明する。本試験は、本発明の繊維強化樹脂材1である後述の実施例1,2と、後述の比較例1〜4との弾性率を比較するものである。実施例1,2及び比較例1〜4の繊維強化樹脂材は、いずれも厚みが1mmである。
(実施例1,2)
実施例1は、図2に示すように、炭素繊維層2,3を、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5から構成し、液晶ポリマー繊維層4を、1枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6から構成したものである。
実施例2は、図3に示すように、炭素繊維層2,3を、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5から構成し、液晶ポリマー繊維層4を、2枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6から構成したものである。
実施例1、2で用いた炭素繊維プリプレグ5は、炭素繊維の平織物に、エポキシ樹脂を含ませたものである。炭素繊維は、東レ株式会社製のT300−3000を使用した。炭素繊維プリプレグ5は、厚みが0.24mmであり、単位重量が200g/mであった。
実施例1、2で用いた液晶ポリマー繊維プリプレグ6は、液晶ポリマー繊維の平織物に、エポキシ樹脂を含ませたものである。液晶ポリマー繊維は、KBセーレン株式会社製のゼクシオン(登録商標)を使用した。液晶ポリマー繊維プリプレグ6は、厚みが0.10mmであり、単位重量が110g/mであった。
(実施例1の製造工程)
実施例1は、図4に示すフローに従って製造したものである。ステップS1では、樹脂シート10、ホットプレート7、及びローラ8を用いる方法で、液晶ポリマー繊維の繊維材料9に、エポキシ樹脂を含ませて、1枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6を得た。樹脂シート10は、樹脂層10bの厚さが約16μm、樹脂層10bの単位重量が20g/mであるものを使用した。ホットプレート7は100℃に加熱した。
ステップS2においても、樹脂シート10、ホットプレート7、及びローラ8を用いる方法で、炭素繊維の繊維材料にエポキシ樹脂を含ませて、4枚の炭素繊維プリプレグ5を得た。樹脂シート10は、樹脂層10bの厚さが約70μm、樹脂層10bの単位重量が80g/mであるものを使用した。ホットプレート7は100℃に加熱した。
ステップS3では、図2に示すように、1枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6の上下に、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5を配置した。
ステップS4では、真空プレス機を用いて、ステップS3で得られる炭素繊維プリプレグ5及び液晶ポリマー繊維プリプレグ6の積層体を、プレス成形した。このプレス成形は、真空雰囲気の圧力及び温度を上昇させることで、真空雰囲気下に配置した積層体を加圧及び加熱するものである。
図9は、真空雰囲気の圧力(以下、圧力と略す)と、真空雰囲気の温度(以下、温度と略す)と、成形時間との関係を示す。成形時間とは、積層体の加圧及び加熱を開始した時点からの経過時間である。ステップS4では、図9に示すように、約20分が経過するまでの間、圧力を2MPa(20kg/cm)にした状態で、温度を130℃まで上昇させた。そして、30分が経過したときに、圧力を3MPa(30kg/cm)に上昇させるとともに、温度を150℃に上昇させた。この状態を90分間(120分経過時まで)維持した後、30分間(150分経過時まで)冷却を行い、その後、真空雰囲気を開放した。
(実施例2の製造工程)
実施例2も、図4に示すフローに従って製造した。ステップS1、S2、S4では、実施例1と同様の処理を行った。ステップS3では、図3に示すように、2枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6の上下に、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5を配置した。
(比較例1)
図10は、比較例1の繊維強化樹脂材20を示す概略断面図である。繊維強化樹脂材20は、実施例1,2で使用した炭素繊維プリプレグ5を4枚重ね合わせて密着させたものである。
繊維強化樹脂材20を製造する際には、実施例1,2の製造工程におけるS1と同様の方法で、炭素繊維の繊維材料にエポキシ樹脂を含ませて、4枚の炭素繊維プリプレグ5を得た。
そして、実施例1,2の製造工程におけるS4と同様の方法で、重ね合わせた4枚の炭素繊維プリプレグ5を加圧して密着させ、繊維強化樹脂材20を得た。
(比較例2)
図11は、比較例2の繊維強化樹脂材30を示す概略断面図である。繊維強化樹脂材30は、実施例1,2で使用した炭素繊維プリプレグ5の間に、ガラス繊維プリプレグ31を挟み込ませたものである。ガラス繊維プリプレグ31は、ガラス繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂を含ませたものである。ガラス繊維は、日東紡株式会社製のICP2116タイプを使用した。ガラス繊維プリプレグ31は、厚みが95μmであり、単位重量が1104g/mであった。
繊維強化樹脂材30を製造する際には、実施例1,2の製造工程におけるS1と同様の方法で、炭素繊維の繊維材料にエポキシ樹脂を含ませて、4枚の炭素繊維プリプレグ5を得た。
そして、実施例1,2の製造工程におけるS2と同様の方法で、ガラス繊維の繊維材料にエポキシ樹脂を含ませて、1枚のガラス繊維プリプレグ31を得た。
そして、図11(a)に示すように、1枚のガラス繊維プリプレグ31の上下に、それぞれ2枚の炭素繊維プリプレグ5を配置した。
そして、実施例1の製造工程におけるS4と同様の方法で、重ね合わせた炭素繊維プリプレグ5及びガラス繊維プリプレグ31を加圧して密着させ、繊維強化樹脂材30を得た。
(比較例3)
図12は、比較例3の繊維強化樹脂材40を示す概略断面図である。繊維強化樹脂材40は、実施例1,2で使用した液晶ポリマー繊維プリプレグ6を10枚重ね合わせて密着させたものである。
繊維強化樹脂材40を製造する際には、実施例1,2の製造工程におけるS2と同様の方法で、液晶ポリマー繊維の繊維材料9にエポキシ樹脂を含ませて、10枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6を得た。
そして、実施例1の製造工程におけるS4と同様の方法で、重ね合わせた10枚の液晶ポリマー繊維プリプレグ6を加圧して密着させ、繊維強化樹脂材40を得た。
(比較例4)
比較例4の繊維強化樹脂材(図示せず)は、1枚のガラス繊維プリプレグから構成されるものである。該ガラス繊維プリプレグは、ガラス繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂を含ませたものである。ガラス繊維は、比較例2と同様、日東紡株式会社製のICP2116タイプを使用した。
本試験では、上述の実施例1,2や比較例1〜4をそれぞれ切断することで、試験片を得た。試験片は、幅8mm、長さ40mm、高さ1mmの直方体である。試験片は、実施例1,2や比較例1〜4毎に、3つずつ得た。そして、TA Instruments Ltd.製の測定機器(DMA Q 800)を用いて、各試験片の弾性率を測定した。測定結果を表1に示す。
表1に示すように、実施例1,2の弾性率の平均は、比較例1〜4の弾性率の平均よりも高くなった。このことから、本発明の繊維強化樹脂材1は、同程度の厚さを有し、また同種の樹脂を含む他の繊維強化補強材に比して、弾性率が高いことが確認された。
また、実施例1,2が比較例1よりも弾性率が高いことで、繊維強化樹脂材1は、厚さ等が同程度の炭素繊維のみで強化された樹脂材に比べても、高い弾性率を有することが確認された。また、実施例1,2は、比較例1から液晶ポリマー繊維層4を追加したものに相当する。このことから、繊維強化樹脂材1の弾性率が高くなる要因として、液晶ポリマー繊維層4が全体の弾性率を高めていることが確認された。
1 繊維強化樹脂材
2,3 炭素繊維層
4 液晶ポリマー繊維層
5 炭素繊維プリプレグ
6 液晶ポリマー繊維プリプレグ
9 液晶ポリマー繊維の繊維材料
10 樹脂シート

Claims (2)

  1. 液晶ポリマー繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、液晶ポリマー繊維プリプレグを得る第1工程と、
    炭素繊維の繊維材料に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含ませることで、炭素繊維プリプレグを得る第2工程と、
    前記第1工程で得られた前記液晶ポリマー繊維プリプレグの上下に、前記第2工程で得られた前記炭素繊維プリプレグを配置する第3工程と、
    前記第3工程で得られた前記液晶ポリマー繊維プリプレグ及び前記炭素繊維プリプレグの積層体を加熱及び加圧することで、前記液晶ポリマー繊維プリプレグと前記炭素繊維プリプレグとを密着させる第4工程とを有し、
    前記第1工程では、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含む樹脂シートに、前記液晶ポリマー繊維の繊維材料を重ね合わせることで、前記液晶ポリマー繊維の繊維材料及び前記樹脂シートの第1の積層体を得た後、当該第1の積層体を、加熱されたホットプレート上に載置して、ローラを前記第1の積層体の上面に沿って転動させることで、樹脂シートに含まれる樹脂を溶融させて、該溶融した樹脂を液晶ポリマー繊維の繊維材料に含ませ、
    前記第2工程では、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、或いは不飽和ポリエステル樹脂を含む樹脂シートに、前記炭素繊維の繊維材料を重ね合わせることで、前記炭素繊維の繊維材料及び前記樹脂シートの第2の積層体を得た後、当該第2の積層体を、加熱されたホットプレート上に載置して、ローラを前記第2の積層体の上面に沿って転動させることで、樹脂シートに含まれる樹脂を溶融させて、該溶融した樹脂を前記炭素繊維の繊維材料に含ませる、繊維強化樹脂材の製造方法。
  2. 前記第4工程では、真空雰囲気下に配置した前記液晶ポリマー繊維プリプレグ及び前記炭素繊維プリプレグの積層体を加熱及び加圧する請求項1に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
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