JP6882402B2 - 複合材料の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の作製方法に関するものである。

従来の熱硬化性の複合材料を硬化した後、外面は粗いことが一般的である。前記外面が光沢あり平滑である外観を有するために、前記熱硬化性複合材料は、複数回の研磨およびポリシー作業を行うことが必要なため、加工プロセスが複雑であり、コストがかなり掛かる。一方、従来の複合材料は、二つのレイヤーの間に粘着材料を入れて互いに連接することが必要である。しかし、材料の性質の異なりにより、粘着強度が不足になりやすく、剥離する虞があり、そして前記複合材料の全体の厚さ及び重量が増加する。

本発明の主な目的は、加工プロセスが簡単であり、且つ複合材料の構造の強度が良い複合材料の作製方法を提供することにある。

本発明に係る複合材料の作製方法は、熱可塑性プリプレグを用意し、熱可塑性プリプレグには、含浸により熱可塑性樹脂に覆われている第１繊維層が含まれており、第１繊維層は、厚さが０．１ｍｍより大きくないレイヤーを少なくとも一つ備え、レイヤーの少なくとも一部の区域の繊維は、同じ方向に配列されるステップ（１）と、熱硬化性プリプレグを用意し、熱硬化性プリプレグには、含浸により硬化されていない熱可塑性樹脂に覆われている第２繊維層が含まれているステップ（２）と、熱圧により熱可塑性プリプレグと熱硬化性プリプレグを結合して、熱可塑性プリプレグと熱硬化性プリプレグとの間に非平滑接着界面を形成するステップ（３）と、冷却して硬化することにより、複合材料を形成するステップ（４）と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、ステップ（３）において、加熱温度は１００〜３００°Ｃであることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、加熱温度は、熱硬化性樹脂の硬化温度より低くなく、熱硬化性樹脂の硬化温度は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｔｇ）より高いことを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、ステップ（３）において、加える圧力は１〜５０ｂａｒであることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、熱可塑性プリプレグは、更に、ステップ（３）の前に、熱圧により熱可塑性板を成形することを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、第１繊維層と第２繊維層とは、それぞれポリマー繊維、ケビラ繊維、炭素繊維、ガラス繊維、玄武岩繊維、石英繊維および天然繊維のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、少なくとも一つのレイヤーの数量は複数であり、各レイヤーの繊維の配列方向は、複数のレイヤーのうちの少なくとも一つの繊維の配列方向と異なることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、少なくとも一つのレイヤーの数量は複数であり、複数のレイヤーは、重なり合う、表層と、少なくとも一つの単方向繊維層と、を備え、単方向繊維層の繊維の配列方向と、熱硬化性プリプレグの基準線とのなす角は、０°、±１５°、±１７°、±２２°、±３０°、±４５°、±６０°、±７５°、９０°のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、レイヤーは、複数の単方向繊維バンドを織って構成され、複数の単方向繊維バンドの隣接する同士の繊維の配列方向は互いに垂直であることを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、ステップ（１）において、各レイヤーは、それぞれ気孔率が１％より大きくないように、熱可塑性樹脂に含浸することを特徴とする。

本発明に係る複合材料の作製方法は、加工プロセスが簡単であり、且つ複合材料の構造の強度が良いという効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る複合材料の作製方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る複合材料を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る複合材料を示す剖面図である。 本発明の第２の実施形態に係る複合材料を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る複合材料を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１から図３を参照する。本発明の第１の実施形態に係る複合材料の作製方法は、下記のステップを含む。
（１）熱可塑性プリプレグ１０を用意し、熱可塑性プリプレグ１０には、含浸により熱可塑性樹脂に覆われている第１繊維層１１が含まれており、第１繊維層１１は、厚さが０．１ｍｍより大きくないレイヤー１１１を少なくとも一つ備え、前記レイヤー１１１の少なくとも一部の区域の繊維は、同じ方向に配列される。
（２）熱硬化性プリプレグ２０を用意し、熱硬化性プリプレグ２０には、含浸により硬化されていない熱可塑性樹脂に覆われている第２繊維層２１が含まれている。
（３）熱圧により熱可塑性プリプレグ１０と熱硬化性プリプレグ２０を結合して、熱可塑性プリプレグ１０と熱硬化性プリプレグ２０と間に非平滑接着界面３０を形成する。
（４）冷却して硬化することにより、前記複合材料を形成する。これにより、前記複合材料の作製方法は簡単であり、そして粘着材料を別に利用せず、熱可塑性複合材料と熱硬化性複合材料を連接することができる。

ステップ（１）において、各レイヤー１１１は、それぞれ気孔率が１％より大きくないように熱可塑性樹脂に含浸した後、互いに重なり合って熱可塑性プリプレグ１０を構成する。これにより、前記熱可塑性樹脂は、レイヤー１１１内に均一に浸み込むことができ、熱圧成形が容易となり、且つ成形した後、気孔率が低く、構造の強度が良く、外観が平滑である。もちろん、各レイヤーは、まず、互いに重なり合って前記熱可塑性樹脂に含浸してもよい。
ステップ（３）において、加熱温度は１００〜３００°Ｃであるが、採用する材料によって加熱温度を適當に調整することができる。前記加熱温度は、前記熱硬化性樹脂の硬化温度より低くなく、且つ前記熱硬化性樹脂の硬化温度は、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｔｇ）より高い。これにより、加熱するときに、前記熱可塑性樹脂と硬化されていない前記熱硬化性樹脂とは、前記熱可塑性プリプレグ１０と前記熱硬化性プリプレグ２０との間に、少なくとも一部が互いに溶けて混合して、一体に溶け合って非平滑接着界面３０（図３に示すように、互いに溶け合う区域を指す。）を形成する。硬化した後、結合強度は良い。ステップ（３）において、加える圧力は１〜５０ｂａｒであるが、必要によって調整することにより、結合強度を増加でき、シェーピング効果が良くなる。

前記熱可塑性樹脂は、非晶性ポリマー又は半結晶性ポリマーを採用することにより、靭性が高く、硬化のサイクルタイムが短く、重複に加工することが容易となる。非晶性ポリマーは、例えばポリメタクリル酸メチル（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ），ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＰＣ）、ポリスルホン（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）などを採用するが、もちろん、本発明はこれに限定されない。半結晶性ポリマーは、例えばポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＰＥＴ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ，ＰＡ）などを採用するが、もちろん、本発明はこれに限定されない。
熱可塑性プリプレグ１０と熱硬化性プリプレグ２０との厚さは、繊維体積分率または樹脂含有量を調整することにより、さまざまな製品ニーズに対応できる。もちろん、前記熱可塑性プリプレグは、ステップ（３）の前に、操作を便利にするために、熱圧により熱可塑性板を成形してもよい。前記熱可塑性樹脂により、前記複合材料の外観は、平滑であり、光沢があり、追加の研磨加工は必要ない。

詳細には、第１繊維層１１と第２繊維層２１とは、それぞれポリマー繊維、ケビラ繊維、炭素繊維、ガラス繊維、玄武岩繊維、石英繊維および天然繊維のうちの少なくとも一つを備える。レイヤー１１１の数量は複数であり、各レイヤー１１１の繊維の配列方向は、複数のレイヤー１１１のうちの少なくとも一つの繊維の配列方向と異なることが好ましい。これにより、前記複合材料の構造の強度を増加できる。
複数のレイヤー１１１は、重なり合う、表層１１３と、少なくとも一つの単方向繊維層１１２と、を備える。単方向繊維層１１２の繊維の配列方向と、熱硬化性プリプレグ２０の基準線Ｌとのなす角は、０°、±１５°、±１７°、±２２°、±３０°、±４５°、±６０°、±７５°、９０°のうちの少なくとも一つである。本実施形態では、複数のレイヤー１１１は、重なり合う四つの単方向繊維層１１２を備える。単方向繊維層１１２の最上層に位置するのは、表層１１３である。
基準線Ｌと、四つの単方向繊維層１１２の繊維の配列方向となす角は、熱硬化性プリプレグ２０へ、順次に＋４５°、−４５°、０°、９０°である。各単方向繊維層１１２の繊維の配列が緻密なため、前記複合材料を結合するときに、気孔の発生を有効に回避できる。もちろん、前記レイヤーの層数、前記単方向繊維層の層数および前記各レイヤーの繊維の配列方向は、製品ニーズに対応して調整することができる。

本発明の第２の実施形態では、レイヤー１１１ａは、重なり合う、表層１１３ａと、四つの単方向繊維層１１２ａと、を備える。表層１１３ａは、機織り層であるため、外観が多様化される。基準線Ｌと、四つの単方向繊維層１１２ａの繊維の配列方向とのなす角は、図４に示すように、表層１１３ａから熱硬化性プリプレグ２０へ、順次に０°、９０°、９０°、０°である。これにより、構造の強度を増加できる。

本発明の第３の実施形態において、少なくとも一つのレイヤー１１１ｂは、複数の単方向繊維バンド１１４， １１４ａを織って構成される。単方向繊維バンド１１４，１１４ａの隣接する同士の繊維の配列方向は、互いに垂直である。もちろん、本発明は、平織り、綾織りなどに限定されない。これにより、前記複合材料は、外観が特殊であり、厚さが薄く、重量が軽いなどのメリットを有する。しかし、前記単方向繊維バンドの隣接する同士の繊維の配列方向は、その他の角度に配置されてもよい。前記第１繊維層は、複数の前記レイヤーを備えてもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１〜４ ステップ
１０ 熱可塑性プリプレグ
１１ 第１繊維層
２０ 熱硬化性プリプレグ
２１ 第２繊維層
３０ 非平滑接着界面
１１１，１１１ａ，１１１ｂ レイヤー
１１２，１１２ａ 単方向繊維層
１１３，１１３ａ 表層
１１４，１１４ａ 単方向繊維バンド
Ｌ 基準線

Claims (9)

1. 熱可塑性プリプレグを用意し、前記熱可塑性プリプレグには、含浸により熱可塑性樹脂に覆われている第１繊維層が含まれており、前記第１繊維層は、厚さが０．１ｍｍより大きくないレイヤーを少なくとも一つ備え、前記レイヤーの少なくとも一部の区域の繊維は、同じ方向に配列されるステップ（１）と、
   熱硬化性プリプレグを用意し、前記熱硬化性プリプレグには、含浸により硬化されていない熱可塑性樹脂に覆われている第２繊維層が含まれているステップ（２）と、
   熱圧により前記熱可塑性プリプレグと前記熱硬化性プリプレグを結合して、前記熱可塑性プリプレグと前記熱硬化性プリプレグとの間に非平滑接着界面を形成するステップ（３）と、
   冷却して硬化することにより、前記複合材料を形成するステップ（４）と、を含み、
   前記ステップ（３）において、加熱温度は、前記熱硬化性樹脂の硬化温度より低くなく、前記熱硬化性樹脂の硬化温度は、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｔｇ）より高いことを特徴とする、
   複合材料の作製方法。
2. 前記加熱温度は１００〜３００°Ｃであることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
3. 前記ステップ（３）において、加える圧力は１〜５０ｂａｒであることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
4. 前記熱可塑性プリプレグは、更に、前記ステップ（３）の前に、熱圧により熱可塑性板を成形することを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
5. 前記第１繊維層と前記第２繊維層とは、それぞれポリマー繊維、ケビラ繊維、炭素繊維、ガラス繊維、玄武岩繊維、石英繊維および天然繊維のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
6. 前記少なくとも一つのレイヤーの数量は複数であり、前記各レイヤーの繊維の配列方向は、前記複数のレイヤーのうちの少なくとも一つの繊維の配列方向と異なることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
7. 前記少なくとも一つのレイヤーの数量は複数であり、前記複数のレイヤーは、重なり合う、表層と、少なくとも一つの単方向繊維層と、を備え、前記単方向繊維層の繊維の配列方向と、前記熱硬化性プリプレグの基準線とのなす角は、０°、±１５°、±１７°、±２２°、±３０°、±４５°、±６０°、±７５°、９０°のうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
8. 前記レイヤーは、複数の単方向繊維バンドを織って構成され、前記複数の単方向繊維バンドの隣接する同士の繊維の配列方向は互いに垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。
9. 前記ステップ（１）において、前記各レイヤーは、それぞれ気孔率が１％より大きくないように、前記熱可塑性樹脂に含浸することを特徴とする、請求項１に記載の複合材料の作製方法。

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