JPH05508128A - 単一方向配列の炭素繊維／フェノール樹脂プリプレグ材料とその製法 - 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】 単一方向配列の炭素繊維／フェノール樹脂プリプレグ材料とその製法（発明の分 野） 本発明は積層材および当該積層材を構成する各層に関し、とくに航空機の内装に 使用される積層材に関する。

航空機の内装などの用途に使用される化を打の開発では、強度、剛性、耐衝撃性 などが高い材料か望ましい。かかる材料は通常飛行機の内装や貨物の空間などの 用途に使用され、合成樹脂が挿入された実質的に平らな多層の材料である。理想 的には、最適な強度−重量特性が得られることに加え、切断が容易で組み立てや 修理が容易な積層材とずへきである。多くの場合、積層材（積層アセブセンブリ イ）は合成樹脂を含浸させた単層または多層の成形材料からなる。これら樹脂含 浸材料はしばしば「プリプレグ」なる語として知られている。本明細育において 用いられる「プリプレグ」なる語は、当該分野で使用されているのと同様に、製 造工程における中間生成物を意味する。

本明細書に開示の発明は樹脂含浸材料またはプリプレグ、当該プリプレグを組み 込んだ多層積層材、および積層材の製法を提供する。多層積層材の好適な具体例 は現在公知の同タイプの材料と比較して強度、剛性および耐衝撃力が優れている 点が特徴である。

（発明の背景） これまで、強度、剛性および耐衝撃性を付加的な荷重を加えることなく最大にす べく、多数の形態の材料やその組合わせが開発されでいる。代表的には、多層プ リプレグは実質的に平面の心材料からなり、その片面または両面に、付加的な構 造強度と各層相互の結合力を与える他の材料がオーバーレイされている。かかる 材料の断面には内部心とその片面または両面に被覆された他の層が見られる。

当該分野で：よ、多層プリプレグ・積層材の個々の層としである種の材料を使用 ４−ることか知られている。たとえば、ガラス織布、ガラス繊維、炭素繊維など が知られ、これらの一般的な特性につき当業者は精通してしる。

殆と、Ｄプリプレグ・積層材はある種のタイプのガラス繊維や炭素繊維を含む層 を有することを、その特徴としている。積層材の特性およびその製法は広範に変 化さ仕ることかてきる。たとえば、通常のガラス繊維材料は非常に多くの短繊維 を秩序に配列しここに樹脂を添加したシートから構成し、得られた組成物を所望 の形態を成形することができる。別法として、各繊維を布形態に織ることかでき 、これは、強度のへである種の利点が得られ、また取り扱いや製造か容易である 。

また、炭素繊維もその使用が知られており、現在ではプリプレグにおいて製織し て利用するかまたは単一方向に配列して利用している。単一方向配列の炭素繊維 は、各繊維が相互に直角の角度をなして上下に走行するようには織られておらず 、むしろ、各繊維は全て相互に平行に走行している。なお、炭素繊維はスプール に巻かれたりホン形で市販されている。

プリプレグの特徴は合成樹脂を使用する点であり、これは、各層の相互保持を促 進しまた構造強度と剛性を付与する機能を示す。近年、フェノール樹脂はプリプ レグに広範に使用されているものの、これをベースとするプリプレグは、当該樹 脂か脆くまｆこ各層として使用する材料に充分に結合しないため、理想的な特性 にやや欠ける程度しか示さない。結合力および脆性に関し、エポキシ樹脂はフェ ノール樹脂よりも優れた性能を示し、また製造上の利点も得られる。なぜなら、 エポキシ樹脂は、フェノール樹脂で必要な溶剤による希釈を要することなく、使 用できるからである。加えて、エポキシ樹脂プリプレグは重量および強度の点で 利点か得られるにめ、広範に使用され、その結果、フェノール樹脂ベースプリプ レグを段階的に製造中止へと追い込んだ。用いられる樹脂のタイプは使用される 繊維のタイプに依存する。たとえば、溶剤含有有樹脂を用いる場合には、編んだ 繊維が好ましい。なぜなら、溶剤含有樹脂溶液システムは、単一方向配列繊維の 使用に関し存在していないからである。したがって、現時点では、単一方向配列 ｗｋ維の使用についは、溶剤非含有エポキシ樹脂適用法に制限されている。

不幸にも、航空機内装に使用されているプリプレグは、場合によりまたはしばし ば往側的にも、火炎や高温と接触する状態になる。かかる場合、エポキシ樹脂は 発火や燃焼の危険性や、高温条件での有毒ガス発生が判明している。このエポキ シ樹脂の危険性が判明したとき、米国連邦航空局はその規制を勧告し、その結果 、エポキシ樹脂はそのよく知られた利点にも拘わらず段階的な製造中止へと追い 込まれていった。一方フエノール樹脂は、溶剤使用の製造法に関する固有の欠点 を有するにも拘わらず、再度広範に使用されるに至った。この時点で、編んだ繊 維は単一方向配列繊維よりもより工業的に標準的な方法となっていた。なぜなら 、編んだ繊維は、溶剤含有樹脂溶液を使用する場合に取り扱いが容易だからであ る。このため、現在使用される方法では、はぼ全て、繊維を編んでなる織布をフ ェノール樹脂／溶剤・溶液で含浸し、乾燥してプリプレグを製造しているのが、 現状なのである。

（発明の概要） 本発明によれば、単一方向配列炭素繊維をフェノール樹脂溶剤・溶液とともに使 用することができる。本明細書に開示の製造方法によれば、フェノール樹脂含浸 ・単一方向配列炭素繊維のシートを製造し、かかるシートは最終的には成形によ り積層材（積層アッセンブリィ）として使用されるものである。テストデータに よれば、かかるプリプレグを組み込んだ積層材は優れた強度、剛性および耐衝撃 性を有するとともに発煙および燃焼に関し良好な特性を保持することが、証明さ れている。

前記したように、当該分野の現状では、航空機内装用プリプレグは、はぼ全てガ ラス繊維や炭素繊維を編んだ織布からなり、この織布は、樹脂溶液が塗布されペ ーパーハネカム心の両側に積層されている。許容荷重および所望の強度の関数と して設計される特定のプリプレグを製造すべく、覆々の厚みの心と覆々のタイプ のガラス繊維や炭素繊維を使用することができる。加えて、種々の品質・タイプ の樹脂や種々の樹脂の適用法を使用することができる。

各タイプのプリプレグ中に存在する炭素繊維量はｒ薄型１ｉＪによって表示でき 、この面重量は、最終プリプレグ１ｍ”当たりの炭素重量（ｇ）の測定で得るこ とができる。市販のアモコＥＸＡＳ−３３−５００エポキシ樹脂ベースプリプレ グは面重量的１５０ｇ／ｍ”を育ｊ７、このプリプレグを備える積層材は耐衝撃 値約６０インチ−ボンドを有する。

この市販品と比較すると、本発明の具体例は、面重量的１５０ｇ／ｍ’で、１４ ０インチ−ボ゛／ドまでの耐衝撃値を示す。本発明の具体例によって市販品と同 様な耐衝撃値を得るには、１２０ｇ／ｍ’はどの低い面重量で充分である。

ブリブＩノグ総重量に関しては、モデルＬ−５２５，１５８３スタイル・プリプ レグ（ジェイ・ディ・リンカーン・イノコーポリ４９１１社製）は本発明のプリ プレグの単位面積当たり約１６倍の重量を示し、約８５インチ−ボンドの衝撃力 に耐えうる。

ファイバーライト・インコーホレイテッド社製またはマツクグニエル−ダウグラ スＭＤ−８０に使用されているプリプレグは耐衝撃値９０インチ−ボンドを示す が、本発明の材料の２倍らの重量を有するのである。

かくして、本発明の目的は改善されてプリプレグ材料を提供することである。

また本発明の目的は改善された多層積層材を提供することである。

なおまた本発明の目的は危険な有毒ガスや燃焼特性を示さずに高い強度でかつ低 い重量の多層材料を提供することである。

さらに本発明の目的は改善されたプリプレグ材料および改善された多層積層材の 新規な製法を提供することである。

（発明の詳説） 添付の図面を診、照しながら本発明をさらに詳しく説明する。

図１は本発明の具体例の斜視図であり、最終の積層材を相互に分離した各層を示 Ｌ２て目的プリプレグから構成される各層の関係を明らかにしたものである。

図２は樹脂含浸単一方向配列炭素繊維のソート製造工程に使用される装置を示す 斜視図である。

図３は最終の積層材の各層を示す部分的断面図であり、各層の１つの可能な方向 を示す。

各層並びに各層および最終生成物の製法を説明することにより、本発明の技術的 思想およびその具体例を説明する。

図１は内部心材料を示し、これは、低コストで軽重量の数種の材料からなる。

本発明の具体例では、アラミド紙を常法でハネカム形に予備形成してフェノール 樹脂中に浸漬してなる心ｌを用いる。

別の層はしばしば市販の他のプリプレグに使用されている接着フィルム層２で、 商標名「ホン　ドーエイ　ト（製品番号Ｌ−３１０）Ｊ　Ｃジエイ・ディ・リン カーン・インコーホレイチアド、カリ本ルニ７、Ｅ１９メＶ、本発明者の開発品 で本発明の具体例に使用〕で市販されている。接着フィルムＭ２は、フェノール 樹脂（組成は不明）を含存し、内部心１の外層への結合を促進する。

非単一方向配列炭素繊維３．３′のノートは本発明の新規製法で製造されるが、 この新規方法によれば、繊維を均一な層厚のソートに配置したのち樹脂浴へ浸漬 する。かかる樹脂外層繊維の新規製法は、本発明者によってはじめて本明細書に 開示するものである。ただし、繊維を合成樹脂に浸漬することは公知方法で、種 々の方法で行うことができる。層３および３°は樹脂含浸単一方向配列炭素繊維 の２つの層で、この２つの層は、実質的に同じ製法でつくられ、各々、各炭素繊 維がシート上で０度または９０度の方向を向くように相互に実質的に垂直に配列 されている。０度と９０度の方向は好適な具体例である。ただし、他の方向も個 々の用途に必要な強度や耐衝撃力や重量制限に応じ、好適なものとすることがで きる。層４はスクリムグラスクロスであり、これは、炭素繊維３．３″の層に取 り付ける。最後に、最終のプリプレグ・積層材用途のために、この積層した材料 を積層プレス中で硬化させて各層を相互に融合させる。

前記したように、本発明は樹脂含浸単一方向配列炭素繊維の連続シートについて の新規製法を開示する。図２は１つの好適な方法を示すもので、この方法によれ ば、トレイＴ−７００炭素繊維１２のストランドまたは「リボン」を数個のスプ ール１１から引き出している。各スプール１１の数および方向は説明の目的のみ て示したしので、実際のスプール１１は、その数を非常に多数のものとでき、ま た、その配タリ０多数の好適なものとできる。スプール＋１の数は、スプールＩ Ｉに巻き付けた炭素繊維ストランドの巾および厚みや、プリプレグ中の好適な炭 素重量に応して、変化させることができる。スプール１１から取り出し１ニのち 、炭素縁＃１２０ストランドを単数または一連のガイド１３を通過させる。かか るカイト１３は、ストランドを配列、集合させて当該ストランドが所望の巾およ び層厚の７−ト１４を形成するような方向に配置されている。以上のように集め た繊維のシートの＠７を増加させるには、炭素繊維スプールの数を増加させるの みで足りる。ま几層厚の均一性は、炭素繊維ストランドを一連の円筒形バー１５ の上下に、当該バーがストランド通路を僅かに偏向させるように通過させること で達成することかできる。図２に示した２つの円筒形バー１５は、均一層厚の炭 素繊維の連続シートの製造に要する装置についての１またはそれ以上の代表例で あることを意味する。この段階で、炭素繊維ストランドは実質的に均一層厚のシ ートを、くぼみや穴が当該シート上に無いように形成し、これにより樹脂への浸 漬後に炭素繊維ノートが連続的で均一となるようにすべきである。

本発明では、予め製造した！を指フィルム層を任意のタイプ・形態の繊維が使用 されている層上に通過させるというよりはむしろ、優れた樹脂適用法を採用して いる。再び図２に戻ると、予備形成樹脂フィルムを用いずに浴１６の溶剤中に溶 解した樹脂を使用して、繊維に樹脂を含浸させることにより、樹脂粘度を減少さ せて当該樹脂の繊維への含浸の程度を増加させることができる。さらに、本発明 の方法は樹脂の繊維基材への結合を増大させることができる。繊維を前記したよ うに配列すると、得られた連続シートを次いで樹脂浴１６を通して、炭素繊維に フェノール樹脂を被覆する。フェノール樹脂浴液１７は溶剤に溶解した液体樹脂 を含む。好適な具体例では樹脂は市販のフェノール樹脂ケムーボンド６０１０で ある。市販のフェノール樹脂溶液は固形分６０％のフェノール樹脂固体をメタノ ール中に含む。樹脂浴液１７を配合するには、エタノールを添加して樹脂浴液１ ７の比重を約０　、９４　ｇ／ｍｌにする。

図２の説明を続けると、炭素繊維のソートは浴液から出て行き、得られた単一方 向配列炭素繊維の樹脂含浸連続ノートをエツジ１８の下側に引く。なお、エツジ １８は過剰の樹脂をノートから除去する。ついて、単一方向配列炭素繊維１９の 連続ソートをシリコーン被覆紙２０のロールにあて、オーブン２１中に６分間、 室内大気温度２１０±１０°Ｆで通す。得られた樹脂含浸単一方向配列炭素繊維 のシート２２は最終生成物に組み込まれるのであるが、これは、フェノール樹脂 を固杉分約３６〜４４％で含む。

各層の製造が終了すると、中間生成物であるプリプレグの組み立てを行う。単一 方向配列炭素繊維の第１層は、一連の樹脂含浸炭素繊維シートに加工裏紙を施し て所望の形状および寸法に製造することができる。樹脂含浸炭素繊維の付加的な 層を第１層に適用する。なお加工裏紙を利用すると、付加的な層を適用すること により各層の炭素繊維を相互に対抗、接触させることができ、また別の炭素繊維 層または異なる成分を最終積層材に適用すべく、製造時にかかる加工裏紙をはが すこともできる。

好適な具体例では、単一方向配列炭素繊維の第２層は第１層に対し実質的に垂直 の角度で当該第１層上にのせられる。これら２つの層は、結合される層平面全体 に金属ローラを適用してマツサージを施し、これにより滑らかな面の層を形成し て層相互の結合を促進する。以下、この構造体を、ｒｏ／９０度単一方自記列炭 素繊維プリプレグ」と呼ぶ。加工裏紙をこの構造体の一方の面からはがす。裏紙 をはがした側の面に対し、１０８番手のスクリムグラスクロスを適用して得られ るプリプレグの面全体を覆い、これが最終生成物の外面を形成する。この層は、 得られる生成物の取り扱いを容易にさせ、また生成物の摩滅防止や、当該生成物 を使用目的に合わせて切断した場合の他の下敷き層の摩滅防止を達成することが できる。

１つの好適な具体例では、２つの繊維層２２と１つのスクリムグラスクロス４（ 寸法および製法は前記と同じ）からなる構造体を、別途製造する。次に、接着フ ィルム層２を所望形状のハネカム心紙材料Ｉの両面に取り付ける。最後に、残っ た裏紙を炭素繊維層およびスクリムグラスクロス層からはがし、そして炭素繊維 層を心材料の最も近くに配置して、当該炭素繊維層を接着フィルム層に直接接触 させる。したがって、本発明のこの具体例では最終の積層材の間外層は、グラス クロスから構成されている。

全ての層を合したのち、最終の積層材を積層プレス内に入れ、約１０分間〜約２ 時間、温度約２６０〜・３５０°Ｆにて圧力的２５〜２００、好ましくは約５０ ｐｓｉで硬化させる。

代表的には、得られた積層材は約ｌＯ〜１２ｍｍ厚であるが、許容重量および所 望の強度に応じてその厚みを変化させることができる。

別の好適な具体例では、単一方向配列炭素繊維層、接着フィルム層およびスクリ ムグラスクロス層を、内部心を用いずに結合させる。０／９０度単一方向配列炭 素繊維ブリプレグを前記のように製造する。次いで、スクリムグラスクロス層を 一方の面に、接着フィルム層を他方の面に取り付ける。得られた積層材を積層プ レス内に入れ、約５ｐｓｉにて約１２５〜＋７５°Ｆで約ＩＯ分〜２時間保持す る。この工程は真空下で実施してもよいが、目的プリプレグの品質はかかる真空 条件には影響されないようである。したがって、この具体例ではプリプレグ層を 内部心材料を用いずに結合させるため、かかるプリプレグの必須構成材料として 特定の心材料に結合していない市販のものを使用する。

当業者には明白であるが、本明細書に開示の本発明およびその具体例は、種々の 変形および改良をなすことができる。したがって、本発明は開示した特定の具体 例にのみに制限すべきではない。

要約書 本発明は、しばしば航空機内装用の化粧材として使用される積層材を開示し、ま た、最終的には当該積層材の全ての層を構成しプリプレグに形成されるフェノー ル樹脂お上半一方向配列の炭素繊維（１４）の使用を開示する。さらに、本発明 はかかるプリプレグの新規な製法および当該製法による生成物を開示する。形成 された最終の積層材生成物は優れた強度および耐衝撃性を示すとともに発煙およ び燃焼に関し好適な特性を示す。

国際調査報告

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．溶解ベース合成樹脂を含浸させた単一方向配列の炭素繊維からなる材料。
2. ２．合成樹脂がフェノール樹脂である請求の範囲第１項記載の材料。
3. ３．実質的に０／９０度の角度形態でならべた合成樹脂含浸・単一方向配列炭素 繊維の複数の層からなる材料。
4. ４．合成樹脂がフェノール樹脂である請求の範囲第３項記載の材料。
5. ５．接着フィルム層を有する両面が平らな心材料、実質的に０／９０度の角度形 態でならべた合成樹脂含浸・単一方向配列炭素繊維、およびスクリムグラスクロ スからなる多層材料。
6. ６．心材料が、ハネカム構造に予備形成しかつフェノール樹脂を含浸させたアラ ミド紙である請求の範囲第５項記載の材料。
7. ７．接着フィルム層が心材科に接触する請求の範囲第５項記載の材料。
8. ８．当該材料が両面が平らな心と、当該心の片面上の接着フィルム層からなり、 炭素繊維が当該接着フィルム層により当該心の片側に固定された層を形成し、ま たスクリムグラスクロスが当該材料の外層としての各炭素繊維層上の２つのスク リムグラスクロスである請求の範囲第５項の記載の材料。
9. ９．単一方向配列炭素繊維をフェノール樹脂で含浸させる請求の範囲第５項記載 の材料。
10. １０．接着フィルム層が可溶性ナイロンコポリマーおよびフェノール樹脂からな る請求の範囲第５項記載の材料。
11. １１．内部ハネカムアラミド紙製の心、当該内部心の両面に結合させた接着フィ ルム層、当該接着フィルム層に取り付けた、実質的に０／９０度の角度形態でな らべたフェノール樹脂含浸・単一方向配列炭素繊維層、および外面を形成するス クリムグラスクロス層からなることを特徴とする多層材料。
12. １２．単一方向配列炭素繊維を、アルコール溶媒中に溶解した合成樹脂浴中に通 して当該合成樹脂で含浸させる ことを特徴とする材料の製法。
13. １３．合成樹脂がフェノール樹脂である請求の範囲第１２項記載の製法。
14. １４．得られた樹脂含浸炭素繊維のシートをオープン内に通して硬化させる請求 の範囲第１２項記載の製法。
15. １５．単一方向配列炭素繊維をアルコール溶媒中の溶解合成樹脂浴中に通して当 該合成樹脂で含浸させ、得られたシートをオープン内に通して硬化させ、実質的 に相互に垂直に配列した複数の合成樹脂含浸・単一方向配列炭素繊維のシートを 圧縮させることにより、０／９０度角度形態の単一方向配列炭素繊維の多層シー トを形成し、 グラスクロスのシートを０／９０度角度形態の単一方向配列炭素繊維の片面に取 り付け、 接着フィルム層を内部心材料の両面に取り付け、炭素繊維層およびグラスクロス 層を、各々内部心および接着フィルム層の片面に取り付けて当該グラスクロス層 を最外層とし、得られた多層材料をプレス装置により温度約２６０°Ｆにて約２ 時間〜温度約３５０°Ｆにて約１０分間積層プレスして硬化させることを特徴と する材料の製法。
16. １６．合成樹脂がフェノール樹脂である請求の範囲第１５項記載の製法。
17. １７．単一方向配列炭素繊維をアルコール溶媒中溶解合成樹脂浴中に通して当該 合成樹脂で含浸させ、次いで得られたシートをオーブン内に、温度約２１０±１ ０°Ｆで通して乾燥させ、 実質的に相互に垂直に配列した複数の合成樹脂含浸・単一方向配列炭素繊維のシ ートを相互に圧縮させることにより、０／９０度角度形態の単一方向配列炭素繊 維の多層シートを形成し、 グラスクロスのシートを０／９０度角度形態の単一方向配列炭素繊維の片面に取 り付け、 接着フィルム層を、スクリムグラスクロスが被覆されていない、０／９０度角度 形態の単一方向配列炭素繊維の表面に取り付け、合した層を積層ブレス中で約５ ｐｓｉにて約１２５〜１７５°Ｆで約１０分間〜約２時間圧縮させる ことを特徴とする材料の製法。
18. １８．合成樹脂がフェノール樹脂である請求の範囲第１７項記載の製法。
19. １９．合した層を相互に積層ブレス中にて真空条件下で圧縮させる請求の範囲第 １７項記載の製法。