JPH03138136A - 繊維強化複合成形体用中間材およびその中間材から得られる繊維強化軽量複合成形体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、航空機、自動車等の補強部材、外板材、ある
いは建設用補強部材等に有用な繊維強化軽量複合成形体
用中間材及び、その中間材から得られる繊維強化軽量複
合成形体に関する物である。

（従来の技術） 従来、補強繊維と熱可塑性繊維を複合した糸を用いた繊
維強化複合材料は特開昭８０−２０９０３４号公報、特
開昭６１−１３０３４５号公報等に開示されている。該
複合糸から得られる布帛をヒートプレス成形することも
開示されている。しかし、上記複合糸を用いて軽量化し
た繊維強化複合成形体に関する開示はない。また意図的
に軽量化した従来の繊維強化軽量複合成形体は、一般に
はマトリックスが熱硬化型がほとんどで、熱可塑性は非
常に少ない。この熱硬化型の場合、発泡体あるいはハニ
カムを芯材として、該芯材の周囲にプリプレグを配して
成形をするものである。熱可■性の場合は、ハニカムを
芯材とするものがある。

これらとは別に、樹脂中に発泡剤を入れ成形時に発泡さ
せる方法がある。同様に、樹脂中に中空のガラスピーズ
を入れることによって軽量化する方法がある。

従来の補強繊維と熱可塑性繊維を複合した糸から得られ
る布帛を、ヒートプレスした場合は得られた成形体は、
通常内部も、外層と同様均一状態であり、補強繊維間に
熱可塑性繊維が溶融して含浸しマトリックスを形成して
おり、これ以上の軽量化は望めない。熱硬化型に比べて
靭性の高い熱可塑型の繊維強化複合成形体を軽量化し、
かつ比強度が高く、ねじり剛性の高い繊維強化複合成形
体を得るために、芯材として発泡体を使用するならば、
該発泡体の融点が一般に低く、成形体を得る成形過程に
おいて、加熱されることにより発泡体の一部または全部
が溶融し、発泡体の本質的役割がなくなり成形できない
。これに対してハニカムを芯材として用いた場合は、該
ハニカムと周囲の熱可塑性物質が本質的に異なる場合が
多く、成形後の該ハニカムと周囲の該熱可塑性物質との
接着性が悪く、得られた繊維強化軽量複合成形体の強度
に問題がある。さらにこれら芯材は一般的には形状が限
定され、これにより繊維強化軽量複合成形体の形状も限
定され成形の自由度が低い。また、該芯材は一般には硬
いので、複雑な形状の金型に沿わせて、湾曲成形するこ
とができない。そのため、複雑な形状の成形をする場合
は、予め、該芯材を成形する形状に合うように賦形して
おかなければならず、非常に手間がかかる。特に繊維強
化複合成形体を部分的に嵩高さを変えて、凹凸を設けて
成形する場合には、嵩高くする白部分に該芯材を予め配
置して成形しなければならず非常に手間がかかる。また
、発泡剤を用いる場合には、該発泡剤の分散および、発
泡の程度をコントロールするのが困難であり、製品の品
質にバラツキを生じる問題がある。さらに、中空のガラ
スピーズを用いた場合は、該中空ガラスピーズがヒート
プレス成形時に圧縮により破壊し、軽量化の役割を果た
さなくなる問題がある。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本発明は軽量化のための発泡体、ハニカム等の
芯材や、発泡剤、中空ガラスピーズを用いず、さらに、
成形の自由度を大幅に向上した、軽くて比強度が高く、
かつねじれ剛性に優れた繊維強化軽量複合成形体用中間
材およびその中間材から得られる複合成形体を提供しよ
うとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、（イ）補強繊維 （ロ）熱可塑性繊維および／または （ハ）樹脂を原材料とするものであり、前記（イ）と（
ロ）を複合した糸から成る見掛は密度０　、４　ｇ　／
　ｃｌ　〜１　、２　ｇ　／　ｃａの布帛を１つの履（
Ａ）とし、前記（イ）と（ロ）または前記（イ）と（ハ
）または前記（イ）と（ロ）と（ハ）から成る見掛は密
度０．０２ｇ／ｃｍ３〜０．４ｇ／ｃｌの多孔質のシー
トをもう１つの層（Ｂ）とし、少なくとも層（Ａ）を両
側最外層にそれぞれ配し、１層以上の層（Ｂ）もしくは
１層以上の層ＣＢ）と１層以上の層（Ａ）を組み合わせ
た層を中間に配して積層一体化したことを特徴とする繊
維強化複合成形体用中間材及び、上記中間材を前記（ロ
）と（ハ）が溶融する温度以上に加熱することにより、
層（Ａ）中の（ロ）が溶融し層（Ａ）中の前記（イ）間
に含浸してマトリックスを成形し、同時に層（Ｂ）中の
前記（ロ）もしくは（ハ）、または前記（ロ）と（ハ）
が溶融し、層（Ｂ）中の前記（イ）表面を濡らして、層
（Ｂ）が層（Ｂ）に隣接の他の層に前記（ロ）または（
ハ）または（ロ）と（ハ）により溶融接着して得た、中
間部に配した層（Ｂ）が嵩高くなっていることを特徴と
する軽量繊維強化複合成形体により上記課題を解決する
ものである。

すなわち、発泡体、ハニカム等の芯材を用いずに、（Ｂ
）層が嵩高く多孔質であることにより、軽量化を達成し
、（Ｂ）層中の熱可塑性繊維または熱可塑性物質が溶融
して隣接する他の層に接着することによって、接着性を
確保するものである。また、本発明の軽量繊維強化複合
成形体中間材は布帛と多孔質シートを組み合わせ積層し
たものであるから、柔軟であり複雑な金型にも沿いやす
く、成形の自由度に優れるものである。

本発明でいう軽量とは、本発明と同一の補強繊維、同一
の熱可塑性物質を用いた繊維強化複合成形体において、
補強繊維間に熱可塑性物質が含浸して、全体が均一状態
になっているものに対して、本発明は、多孔質の嵩高い
層を含むことにより、軽量になっているものである。重
量で数パーセントから６０パ一セント程度軽量化できる
ものである。しかし、これは繊維強化軽量複合成形体の
使用目的及び多孔質の嵩高層をどれだけ含むかによって
も異なり、目的に応じてコントロールできるものである
。

本発明に用いる、補強繊維とは、炭素繊維、ガラス繊維
、アラミド繊維等があげられるが、これに限定されるも
のではなく、本発明に用いる熱可塑性繊維及び熱可塑性
物質が溶融する成形温度で、溶融しない繊維であればい
ずれでもよく目的に応じて選択すればよい。また、これ
らは単独で用いてもよいが、混合して用いてもよい。長
さや径については特に規定しない。また、ガラス繊維を
用いる場合には、使用する熱可塑性繊維および熱可塑性
物質に応じた処理剤を予め付与しておくのが好ましい。

次に、熱可塑性繊維としては、ポリオレフィン、ポリビ
ニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリカ
ーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレ
ンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリ
エーテルエーテルケトンなどが挙げられるが、熱可塑性
繊維であればいずれでもよく、目的に応じて選択すれば
よい。また、長さや、径についても特に規定しない。

本発明で言う熱可塑性樹脂とは、熱可塑性繊維とほぼ同
じ組成であり多少の共重合や変性されているものでも構
わない。しかし、熱可塑性繊維と熱可塑性樹脂の融点が
ほぼ同じであることが望ましい。この熱可塑性樹脂は、
粉末状で用いるのが望ましい。

補強繊維と熱可塑性繊維を複合した糸とは、公知の技術
、例えば特開昭８０−２０９０３４号公報に開示しであ
るエアーを用いた方法等により両繊維をなるべく均一に
複合した糸である。両繊維の複合比は任意であり、目的
に応じて調整すればよい。望ましくは、補強繊維が３０
〜Ｅ！Ｏｗｔ％であるが、特に規定はしない。このよう
に、複合した糸であることにより熱可塑性繊維が溶融し
て補強繊維間に含浸し易く、またその含浸時間も短くな
る特徴がある。この複合した糸を、布帛とした（Ａ）層
は織物、多軸織物、編み物、マット状不織布等いずれで
もよいが、強度設計の自由度という点で多軸織物が望ま
しい。

ここでいう見掛は密度とは、目付けを布帛の厚さで除し
たものである。目付けは、一定面積の重量で測定ができ
、厚さは、布厚み計で測定できるものである。（Ａ）層
の見掛は密度が０．４ｇ１ｃａ〜１．２ｇ／ｃｄである
ことにより硬く密に詰まった層が形成できるものである
。

また、多孔質シートの［Ｂ］層は、見掛は密度０．０２
　ｇ／ｃｌ〜０．４ｇ／ｃＪの多孔質で嵩高であること
が必要である。この見掛は密度範囲にあることにより、
成形後も（Ｂ）層は十分な嵩高さを有しており繊維強化
軽量複合成形体が得られるのである。この範囲より見掛
は密度が大きいと嵩高さが小さくなり良好な軽量化は達
成できない。また、この範囲より小さいと形態を保持で
きなくなり所望の成形体が得られない。この多孔質シー
トＣＢ）層は５〜７０酊カツト長のマット状にしたもの
や製編したものが適している。特に、ダブルラッセル編
み物は本発明を達成するのに非常に適している。

該多孔質シート（３１層は、（１）補強繊維と熱可塑性
繊維の組み合わせ、■補強繊維と、熱可塑性繊維と同種
の熱可塑性樹脂の組み合わせ、（３）補強繊維と熱可塑
性繊維と、さらに熱可塑性繊維と同種の熱可塑性樹脂の
王者の組み合わせいずれでもよい。（１）の場合は（Ａ
）層と同様に補強繊維と熱可塑性繊維を複合した糸を製
編したものや、糸をカットしてマット状にしたものが例
として挙げられる。

■の場合は、補強繊維を製編したものやカットしてマッ
ト状にしたものに、後に粉末状の熱かぞい物質を付与し
たものが例として挙げられる。（３）の場合は、（Ａ）
層と同様に補強繊維と熱可塑性繊維を複合した糸を製編
したものや、糸をカットしてマット状にしたものに、後
に粉末杖の熱可塑性物質を付与したものが例として挙げ
られる。該多孔質シート（Ｂ）中のマトリックスとなる
熱可塑性繊維または熱可塑性樹脂、または両者の割合は
、５〜４０ｗｔ％がよく、さらに望ましくは１０〜３０
ｗｔ％がよい。これは溶融成形時に熱可塑性マ）　ＩＪ
ワックス、補強繊維間に含浸し補強繊維同士をマトリッ
クスが接着し、嵩高さをなくしてしまうのを防ぐため補
強繊維の割合が高くなっている。

しかし、全くマトリックスが存在しないと、補強繊維表
面がマトリックスで全く濡れず保護されないために、外
力が加わったときに補強繊維が破損し、強度保持ができ
なくなる。また、（Ｂ）層に隣接の他の層との接着性を
確保するためにもマトリックスが上記の節回程度必要で
ある。該（Ａ）層は少なくとも両側最外層には必要であ
り、表面の硬さを保つだけの厚さが必要である。そのた
め何層重ねてもよく、必要に応じて決定すればよい。ま
た、該（Ｂ）層は中間部に一層以上必要である。これも
必要に応じて何層かを重ねればよく、また（Ａ）層と（
Ｂ）層を組み合わせて中間部に配してもよい。

このように積み重ねた積層物を、（Ａ）層に用いた熱可
塑性繊維でステッチし一体化してもよく、また熱可塑性
繊維及び熱可塑性樹脂が溶融する温度以上で低圧力下で
、軽（ヒートプレスし、各層を溶融接着して一体化して
もよい。

上記のようにして得られた、繊維強化複合成形体用中間
材（第１図）を熱可塑性繊維及び熱可塑性樹脂が溶融す
る温度以上でヒートプレスする。

この場合、プレス圧はあまり高すぎてもいけないが、低
すぎてもいけない。望ましくは、ｌｏｋｇ／ｃｍ３〜４
０　ｋｇ　／　ｃＪで、できるだけプレス時間は短い方
がよく、１０分以内にしておくのが望ましい。

これは、（Ｂ）層の孔部分に熱可塑性マ）　ＩＪワック
ス浸入し、（Ｂ）層の嵩高性を無くしてしまうのを防ぐ
ためである。しかし、（Ａ）層中の熱可塑性マトリック
スは、補強繊維間に含浸した、すなわちウェットアウト
の状態であり、一方（Ｂ）層中の熱可塑性マ）　ＩＪワ
ックス補強繊維表面を濡らしているウェットスルーの状
態になるようにすることが必要である。

また、（Ｂ）層は隣接の他の層に熱可塑性マトリックス
によって接着している状態となるようにする必要がある
。このような状態のものをブランクと呼び第２図に示す
。該ブランクは、プレスにより（Ｂ）層が圧縮され、嵩
高性はないものである。該ブランクを再度、はぼ圧力の
かからない状態で熱可塑性マ）　＋Ｊフックス溶融流動
する温度に加熱することにより５、熱可塑性マトリック
スが流動し、（Ｂ）層中の補強繊維のスプリングバック
により（Ｂ）層は膨張し、再度嵩高くなる。これと同時
に所望の形状に賦形すれば、冷却後は、外層は硬い（Ａ
）層を有し、中間部には嵩高くなった（Ｂ）層を有する
軽量繊維強化複合成形体が得られる（第３図）。また、
該ブランクはスタンピング成形によって複雑な形状の繊
維強化軽量複合成形体に成形できる。すなわち、該ブラ
ンクは、硬い芯材を含有していないので、はぼ圧力のか
からない状態での再加熱により、膨張とともにマトリッ
クスの溶融流動により柔軟となる。これにより複雑な形
状の金型に沿わして湾曲成形が可能となる。この場合ス
タンピング成形用の金型は、第４図に示すように、目的
とする嵩高さを繊維強化複合成形体に与えるために、雌
雄の金型の間に目的とする嵩高さ分の空間を形成してお
かなければならない。さらに、この金型は溶融したマト
リックスを固化するために、マトリックスの融点よりも
低い温度、望ましくは結晶化温度とガラス転移温度の間
の温度にしておく必要がある。

また、同様のスタンピング成形によって、部分的に嵩高
さを持たせた繊維強化軽量複合成形体が得られる。すな
わち、第５図に示すように、目的とする部分と目的とす
る嵩高さを繊維強化軽量複合成形体に与えるために雌雄
の型の目的の部分に目的とする嵩高さ分の空間を形成す
ることにより、部分的に嵩高さを持たせ繊維強化軽量複
合成形体が得られる。このようにスタンピング成形が可
能であるので、成形のサイクルタイムも短くコストも低
くなる。

（作用） 上記に記載で明確なように、本発明は、従来の芯材等を
用いず、中間部に多孔質嵩高シートを有することにより
軽量化できるのである。その原理は、多孔質嵩高シート
中の熱可塑性繊維、または熱可塑性物質、または、両者
を一度溶融し、圧力を加えることにより、補強繊維表面
を濡らし、保護層を形成させ、また、隣接する他の層と
の接着を溶融した熱可塑性マトリックスで行い、−度平
坦な板状物、すなわちブランクを得る。これを再度加熱
することにより、補強繊維のスプリングバックを利用し
て中間部を膨張させ、柔軟にし、金型内で成形と同時に
中間部に嵩高な層を有する繊維強化軽量複合成形体を得
るものである。またこのことは、スタンピング成形が可
能であることを示し、複雑な形状の繊維強化軽量複合成
形体を得ることができ、非常に成形の自由度が高くなっ
ていることを示すものである。

（実施例） 実施例−１ 以下、実施例によって本発明を説明するが、何らこれに
限定されるものではない。

補強繊維としてＥ−ガラス繊維、１２１５デニール（直
径９μｍ）と熱可塑性繊維としてナイロン６．２７００
デニールをエアーで複合して糸を作った。複合比はガラ
ス繊維割合で約３１ｗｔ％である。該糸を製織し平織物
とした。この平織物は、糸密度、縦２０本／１ｎｃｈ、
横２０本／１ｎｃｈで目付けが７００　ｇ／♂で、厚さ
が１．０ｍ−１見掛は密度が０．７ｇ／ｃＪである。こ
れを（Ａ）層とする。

一方、補強繊維としてＥ−ガラス繊維（３０３デニール
、直径９μｍ）と熱可塑性繊維としてナイロンＥ３　（
１３０デニール）をエアーで複合して糸を作った。複合
比は、ガラス繊維割合で約７゜ｖｔ％である。該糸をダ
ブルラッセル編機で製編し、目付け１０００ｇ／♂、厚
さ１０ｍｍ、見掛は密度０−１ｇ／ｃｉの編物を得た。

これを（Ｂ）層とする。

上記平織物を３０　ｃ＋ａ　Ｘ　３０　ｃｍに切り出し
、７枚重ね、その上に３０　ｃ＋ａ　Ｘ　３０　ｃ＋ａ
のダブルラッセル編物を２枚重ね、さらにその上に平織
物３０　ｃｍ　Ｘ３０ｃｍを７枚重ねた。上記の積層物
をナイロン６のミシン糸（７０デニール）を用いてステ
ッチし一体化した繊維強化複合成形体中間材を得た。上
記中間材を５０ｔプレスを用いて、２８０℃、３分間、
１０ｋｇ／ｃＪでプレスした。得られたブランクは厚さ
８ｍｍで見掛は密度は１．４８ｇ／ｃＪであった。

該ブランクを遠赤外線ヒーターで約２９０　’Ｃに２分
間加熱し、中間部が膨張したところを第６図に示す１４
０°Ｃの金型でプレス成形し、繊維強化ｌ！量複合成形
体を得た。該繊維強化軽量複合成形体は厚さ２０關、見
掛は密度０．５９ｇ／ｃｄであった。これをＪＩＳ　　
Ｋ７０５５に従って、曲げ試験を行った。結果を表−１
に示す。

実施例−２ 実施例−１の（Ｂ）層のダブルラッセル編物をＥ−ガラ
ス繊維（３０３デニール）のみで製編し、目付け７００
ｇ／♂、厚さ１０關、見掛は密度０．０７ｇ／Ｃｄの編
物を得た。該編物にナイロン−６の粉末をバイブレータ
−を用いて内部に含ませた。これによりガラス繊維含有
量は約８０ｗｔ％で見掛は密度は０．０８８ｇ／ｃｍ３
となった。後は、実施例−１と同様にし、厚さ２０龍、
見掛は密度０−５８ｇ／ｃａの繊維強化軽量複合体を得
た。曲げ強度の結果を表−１に示す。

実施例−３ 実施例−１の（Ｂ）層のＥ−ガラス繊維とナイロン−６
の複合糸から成るダブルラッセル編物に、ナイロン−６
の粉末をバイブレータ−で含ませた。

ガラス繊維含有量は約８０ｗｔ％、見掛は密度は０．１
２ｇ／ｃＪであった。後は、実施例−１と同様にし、厚
さ２０−ｍ、見掛は密度０．６Ｏｇ　／　ｃＪの繊維強
化軽量複合成形体を得た。曲げ強度の結果を表−１に示
す。

比較例−１ 実施例−１の（Ｂ）層のＥ−ガラス繊維とナイロン−６
の複合糸から成るダブルラッセル編物の代りに、Ｅ−ガ
ラス繊維のみから成るダブルラッセル編物、目付け７０
０　ｇ　／　、！、厚さ１０ｍｍ１見掛は密度０．０７
ｇ／ｃＪの物を用いた。後は、実施例−１と同様にし、
厚さ２０１１見掛は密度０．５６ｇ／ｃｄの繊維強化軽
量複合成形体を得た。

曲げ強度の結果を表−１に示す。

比較例−２ 実施例−１の（Ｂ）層のダブルラッセル編物を用いずに
、実施例−１の平織物を１０枚重ねて、５０ｔプレスを
用いて、２８０℃、３分間、１０ｋｇ　／　ｅｌｌでプ
レスした。得ら′れたものは、厚さ５ｆｆ１１１１見掛
は密度１．４ｇ／ｃＪであった。それを、そのまま曲げ
試験に用いた。結果を表−１に示す。

比較例−３ 実施例−１の平織物の代りに、Ｅ−ガラス繊維（３０３
デニール）とナイロン−Ｅ３　（３００デニール）の複
合糸（ガラス繊維含有量的５０ｗｔ％）を見掛は密度０
．１ｇ／ｃＪのダブルラッセル編物を（Ａ）層として用
い、該ダブルラッセル編物を５層重ね一体化し、後は、
実施例−１と同様にした。得られた繊維強化軽量複合成
形体は厚さ２０１箇で、見掛は密度０．２５ｇ／ｃＪで
あった。曲げ強度の結果を表−１に示す。

（発明の効果） 本発明の繊維強化複合成形体用中間材は柔軟であるため
、該中間材を用いて加熱成形すると、複雑な形状の金型
にも密着させることができ、該中間材中に多孔質嵩高層
が形成されるため、軽量でかつ複雑な形状の繊維強化複
合成形体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合成形体中間材の断面の概略図、第２図は複
合成形体中間材をヒートプレスしたブランクの断面の概
略図、 第３図は第２図のブランクを加熱した複合成形体の断面
の概略図、 第４図、第５図および第６図は、本発明の複合成形体の
各種形状のプレス金型内での様子を断面で示した概略図
である。 １・・・（Ａ）層布帛、２・・・（Ｂ）層多孔質シート
、３・・・補強繊維、４・・・マトリックス５・・・補
強繊維中にマ）　ＩＪフックス脂が含浸された（Ａ）層
、 ６・・・補強繊維がマ）　ＩＪフックス脂で濡れた（Ｂ
）層多孔質シート ７・・・金型

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）補強繊維（イ）と熱可塑性繊維（ロ）を複合した
   糸から成る見掛け密度０．４ｇ／ｃｍ＾３〜１．２ｇ／
   ｃｍ＾３の布帛を１つの層（Ａ）とし、前記（イ）と（
   ロ）または前記（イ）と熱可塑性樹脂（ハ）または前記
   （イ）と（ロ）と（ハ）から成る見掛け密度０．０２ｇ
   ／ｃｍ＾３〜０．４ｇ／ｃｍ＾３の多孔質のシートをも
   う１つの層（Ｂ）とし、少なくとも層（Ａ）を両側最外
   層にそれぞれ配し、１層以上の層（Ｂ）もしくは１層以
   上の層（Ｂ）と１層以上の層（Ａ）を組み合わせた層を
   中間に配して積層一体化したことを特徴とする繊維強化
   複合成形体用中間材。
2. （２）請求１記載の軽量繊維強化複合成形体用中間材を
   加熱成形することにより得られる繊維強化軽量複合成形
   体。