JP2004276355A

JP2004276355A - プリフォームおよびそのプリフォームを用いた繊維強化樹脂複合体の製造方法

Info

Publication number: JP2004276355A
Application number: JP2003069447A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Horibe; 郁夫堀部; Kiyoshi Honma; 清本間; Eisuke Wadahara; 英輔和田原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】ボイドのない高品質のＦＲＰを成形することができるとともに、短時間で樹脂含浸ができ、強化繊維の持つ高強度・高弾性率の特性を十分に発揮できるプリフォーム４およびそのプリフォームを用いたＦＲＰ複合体の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のプリフォーム４は、強化繊維基材１の少なくとも片面にマトリックス樹脂シート２が接着してなるプリプレグ３が複数層積層されたものである。そして、このプリフォーム４を構成する複数の基材１のすべての層間にマトリックス樹脂シート２が介在しており、かつ、このマトリックス樹脂シート２の樹脂が前記強化繊維基材に実質的に未含浸状態であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば炭素繊維などの強化繊維からなる強化繊維基材と、マトリックス樹脂からなる繊維強化樹脂（以下、ＦＲＰと略記する）複合体を製造するのに適したプリフォームおよびそのプリフォームを用いたＦＲＰ複合体の製造方法に関する。詳しくは、高目付の強化繊維基材と高粘度樹脂を用いて輸送機器（特に航空機）の構造体や部品などの高強度、高弾性性能が要求されるＦＲＰを製造するのに適したプリフォームおよびそのプリフォームを用いたＦＲＰ複合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、航空機部品などの高品質が要求されるＦＲＰの製造方法としては、強化繊維基材にあらかじめ樹脂を完全含浸させたプリプレグを用い、これを型に積層した上でバッグ材で覆い、オートクレーブ（加熱・加圧炉）内で加熱、加圧し樹脂を硬化させるいわゆるオートクレーブ成形法が多用されている。この成形方法は生産性は低いという問題があるものの、あらかじめ強化繊維基材に樹脂を完全含浸させていることから、成形後のＦＲＰにおいてもボイドの発生がなく、高品質であることから好ましく使用されている。すなわち、ＦＲＰの成形においてはボイドをいかになくするかが成形品の品質に大きく影響を及ぼし、ボイドが発生すると強度などの特性を大きく低下させることになる。
【０００３】
さて、近年、航空機メーカから成形作業コストを削減するために強化繊維基材の積層枚数を減らし、積層作業時間の短縮化する目的で高目付プリプレグの要求がある。
【０００４】
ここで、プリプレグの製造方法としては、ウエット方式とホットメルト方式とがあるが、前者の含浸させる樹脂を有機溶媒などに希釈し含浸後溶媒を乾燥除去するウェット方式の製造方法では、樹脂を溶媒で希釈するので低粘度化でき、高目付の基材や樹脂含浸しにくい強化繊維基材の場合に有利であるが、含浸後の溶媒を飛ばすために乾燥設備や回収した溶媒の処理設備が必要である。さらに、乾燥後もプリプレグ内に少量の溶媒が残ることから成形時の加熱の際に揮発しボイドの原因になるなどのことから航空機部材用途のプリプレグとしては含浸させる樹脂を直接加熱昇温し、流動化させて強化繊維基材に含浸させるホットメルト方式が主に用いられている。
【０００５】
このホットメルト方式のプリプレグ製造工程において、高目付化した基材に樹脂を含浸させようとすると、強化繊維基材の目付が小さい場合は、基材厚みが小さいので樹脂含浸が必要となる基材中心までの距離が小さく、樹脂を完全に含浸させやすい。しかし、基材目付が大きくなると基材厚みも大きくなり、基材中心までの樹脂の含浸距離が大きくなることから樹脂が含浸しにくくなる。このため、加熱温度を高くして樹脂の粘度を下げたり、樹脂含浸時の加圧力を大きくして樹脂を含浸しやすいようにする必要があるが、そうすると加熱により樹脂の硬化反応が進み樹脂が含浸しにくくなったり、加圧力が大きくなると樹脂含浸時の樹脂流動により繊維も流動するので、繊維の蛇行が発生しＦＲＰにおける力学特性の低下に繋がる。
【０００６】
このような問題を改善すべく、特許文献１には、強化繊維基材を積層したプリフォームの表面に樹脂層を配置し、バック内で真空吸引しながら加熱加圧硬化する、いわゆるＲＦＩ（ＲｅｓｉｎＦｉｌｍＩｎｆｕｓｉｏｎ）成形法と呼ばれるＦＲＰの成形方法が提案されている。
【０００７】
しかし、この成形法は、プリフォーム表面にプリフォーム全体に樹脂含浸をさせるのに必要な樹脂量を有する樹脂層を一箇所に配し、樹脂層から含浸すべき樹脂をプリフォーム内に移動させることから、含浸距離が大きい問題があった。特に航空機部品などに使用されている耐熱性と力学特性のバランスのとれたマトリックス樹脂は、比較的高粘度であり、かつ成形時の加圧も真空吸引による加圧のみであることから、この樹脂を使用すると、プリフォームの隅々までに樹脂を完全に含浸できないという問題があった。さらに、プリフォーム全体に含浸させるのに必要な樹脂量が多いことから、仮に低粘度樹脂を用いても樹脂の硬化途中でこの樹脂層が自己発熱により先に硬化が進行し、樹脂の未含浸部分が残り、結果としてＦＲＰにボイドが発生しやすいという問題があった。また、低粘度樹脂を用いると、含浸はしやすくなるものの樹脂のフロー量が大きくなりＦＲＰにおける樹脂量のコントロールが難しかった。
【０００８】
一方、特許文献２には、前記問題を改善すべく強化繊維基材の片面に樹脂を部分的に含浸させたプリプレグの積層体からなるプリフォームを用いたＦＲＰの製造方法が記載されている。この方法は、プリプレグの表面に全体重量の２０〜５０％の範囲の樹脂を部分含浸させているために前述したＲＦＩ成形法に比べ樹脂の含浸距離が小さいので高粘度樹脂を用いた場合においても樹脂含浸をさせやすい利点がある。
【０００９】
しかしながら、部分的に含浸させようとすると、所望の含浸レベルにすることが困難なだけでなく、同一プリプレグ内でも含浸レベルが異なる箇所が発生してしまう問題があった。すなわち、強化繊維基材の場所によって樹脂を含浸させなければいけない基材の厚み方向の含浸距離が異なる場合、この問題が大きく顕在化する。例えば、強化繊維の形態が二方向織物である場合においては、たて糸とよこ糸の交錯により目空き部分が発生するが、部分含浸させる際にこの部分が先に樹脂含浸しやすいことから基材厚み方向への樹脂含浸長さが場所によって異なることになり、基材厚み方向への含浸距離が大きい部分と小さい部分が生じ、結果として含浸距離が小さい部分が先に樹脂含浸してしまうことから強化繊維基材内に樹脂が含浸されない部分が残り、ボイドが内在するＦＲＰになってしまうのである。また、プリプレグに樹脂を部分含浸させるために加熱加圧状態で含浸させる必要があるが、特に繊維目付が大きくなるとそれにともない使用する樹脂量が多くなり、部分含浸させる際の加圧により樹脂フローにより樹脂量が変動することや、繊維の配向が乱れるなどの問題が生じていた。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許明細書４，６２２，０９１号（クレーム１、第１図）
【００１１】
【特許文献２】
特開２００１−５１１８２７号公報（請求項１、第２図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解消し、高目付の強化繊維基材や高粘度樹脂を用いた場合であっても、強化繊維基材への樹脂含浸が容易かつ安定であり、しかもボイドのない高品質のＦＲＰを成形することができ、また、成形すべき成形体が大型のＦＲＰ構造体であっても、短時間に樹脂含浸ができるとともに、強化繊維の持つ高強度・高弾性率の特性を十分に発揮できるプリフォームならびにそのプリフォームを用いたＦＲＰ複合体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した問題点を解決するために鋭意検討を行い、以下のプリフォームならびに製造方法を用いることにより、高目付の強化繊維基材を用いた大型のＦＲＰ成形品であってもボイドの発生が極めて少なく、強化繊維の持つ高強度・高弾性率の特性を十分に発揮でき、また、作業性にも優れるＦＲＰ複合体が得られることを見い出すに至った。
【００１４】
すなわち、本発明のプリフォームは、強化繊維基材の少なくとも片面にマトリックス樹脂シートが接着してなるプリプレグが複数層積層されたプリフォームであって、前記プリフォームを構成する複数の基材のすべての層間にマトリックス樹脂シートが介在し、かつ、このマトリックス樹脂シートの樹脂が、前記強化繊維基材に実質的に未含浸状態であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の繊維強化樹脂複合体の製造方法は、予め所定形状に賦形した強化繊維基材からなるプリフォームに合成樹脂を含浸させた後、加熱して繊維強化樹脂複合体を製造する方法において、
（Ａ）前記プリフォームに請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォームを用いるとともに、
（Ｂ）このプリフォームを成形型上に載置した後、全体をバッグ材で覆い、その内部を大気圧よりも低い状態になるように吸引しつつ前記バッグ材の外部から加熱することで前記基材内部にマトリックス樹脂を含浸させることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のプリフォームの望ましい実施の形態を図を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明のプリフォームの一実施例の縦断面図である。図に示すように、本発明のプリフォーム４は、強化繊維基材１とマトリックス樹脂シート２とで構成されるプリプレグ３が１セットとなり、このプリプレグ３が複数層積層されてなるものである。その結果、プリフオーム４の全体を断面方向に見ると、基材１とマトリックス樹脂シート２とが交互に配置され、所定枚数積層されている。ここで、プリプレグ３の強化繊維基材１とは、詳細は後述するが、織物やステッチ布帛などであり、また、マトリックス樹脂シート２とは、熱硬化性樹脂からなる未硬化状態の樹脂シートである。
【００１８】
かかるプリフォーム４は、強化繊維基材１の少なくとも片面にマトリックス樹脂シート２が接着されているプリプレグ３を一単位として複数層積層されているので、すべての基材１間にマトリックス樹脂シート２が存在していることになる。なお、図１の態様のものは、積層体の両表面にもマトリックス樹脂シート２が存在している。この様に積層体の両表面にもマトリックス樹脂シートが存在していると、特にＦＲＰ表面にボイドや樹脂欠けのない表面品位に優れたＦＲＰが得られるため、本発明の好ましい態様の一つということができる。
【００１９】
ところで、本発明の特徴の一つは、マトリックス樹脂シート２の樹脂が強化繊維基材１に実質的に未含浸状態にあることが挙げられる。本発明は、シートの樹脂を基材に実質的に未含浸状態にすることにより、前述の本発明の課題を達成することを見出したものである。すなわち、前述したように樹脂を基材に部分的に含浸させると、基材厚み方向への樹脂含浸長さが場所によって異なる箇所が発生し、ボイドが形成されることを見出し、かかる問題を解決する手段として、樹脂を未含浸状態にすることを見出したものである。ここで、樹脂が「実質的に未含浸状態である」とは、強化繊維基材の内部にまで樹脂が含浸されていない状態を指し、例えば樹脂シート１を強化繊維基材１の片面ないし両面に剥がれない程度に貼り合わせた状態である。また、ミクロ的に強化繊維基材の表面における強化繊維の単糸数本レベルに樹脂が入り込んでいるものも本発明の未含浸状態に含まれる。具体的には、強化繊維基材における含浸厚みは、基材表面から基材全体厚みのそれぞれ１／１０以下、より好ましくは１／２０以下にある状態のことを指す。なお、通常、プリプレグとは基材に樹脂が含浸されたものを指すが、本発明では樹脂が未含浸状態にあるものであっても、プリプレグと称することにする。
【００２０】
樹脂未含浸プリプレグ３における樹脂量としては、樹脂未含浸プリプレグの全体重量の３０〜６０％である。好ましくはＦＲＰにした時に軽量でかつ優れた力学特性を発現できる３５〜５０％である。ここで３０％未満であると、樹脂量が少ないことからＦＲＰにした時にボイドが発生しやすい。また、６０％を超えると樹脂量が多くなることから重いＦＲＰになってしまう。このため、樹脂未含浸プリプレグにおける樹脂量は、樹脂未含浸プリプレグの全体重量の３０〜６０％の範囲が好ましい。
【００２１】
シート２のマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、変性エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂や、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などの熱可塑性樹脂である。なかでも、耐熱性、力学特性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。
【００２２】
強化繊維基材１を構成する強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましく、その形態は強化繊維が一方向ないし多方向に配列した一方向材ないし織物が好ましい。また、これら強化繊維糸を平行に配列したシートを０°（繊維基材の長さ方向）、９０°（繊維基材の幅方向）や±４５°（繊維基材の斜め方向）に積層され、これをガラス繊維、ポリエステル繊維やポリアミド繊維などのステッチ糸で縫合した多軸ステッチ布帛であってもよい。なかでも、強化繊維が炭素繊維であれば、ガラス繊維に比べ単糸径が小さいことから補強繊維ストランド間に構成される空隙部が小さく従来のオートクレーブ成形では樹脂含浸が困難であったが、本発明の製造方法を用いることによって樹脂含浸が可能となるとともに高強度、高弾性率のＦＲＰを得ることができるので好ましい。
【００２３】
また、本発明のプリフォーム４においては、強化繊維基材１における繊維の配向方向が二方向以上の場合に用いることが好ましい。すなわち、通常のプリプレグの作製段階においては、長尺の強化繊維シートに連続的に加熱加圧しながら強化繊維基材に樹脂を含浸させており、強化繊維が一方向に配向した強化繊維基材であればその方向に張力を付与しながら強化繊維に樹脂を含浸させつつ連続的に加工することで強化繊維の蛇行を防止することができるが、強化繊維基材における繊維の配向方向が二方向以上の場合においては、そのすべての方向に張力を付与することは困難であることから張力が作用していない方向の強化繊維の繊維蛇行が発生しやすくなる。本発明は、成形過程で強化繊維基材の厚み方向にのみ加圧することから強化繊維が二方向以上に配向している多軸繊維基材を用いても繊維蛇行が発生しにくくい。
【００２４】
また、強化繊維基材の目付としては、２００〜１，０００ｇ／ｍ^２の範囲が好ましい。２００ｇ／ｍ^２未満であれば、本発明の製造方法を用いなくとも、通常のホットメルト方式のプリプレグ加工で強化繊維基材への完全含浸が可能である。また、１，０００ｇ／ｍ^２を越えると強化繊維基材の厚みが大きくなるので強化繊維基材への樹脂の含浸距離が大きくなりボイドが発生しやすくなる。このため、２００〜１，０００ｇ／ｍ^２の範囲が好ましい。さらに好ましくは、織物目付が４００〜１，０００ｇ／ｍ^２の高目付織物である。すなわち、高目付織物は通常のホットメルト方式のプリプレグ加工では、強化繊維基材への樹脂含浸が困難であり、ホットローラによる含浸圧を高めると強化繊維の蛇行が生じやすいことから本発明の効果がいかんなく発揮されることから織物目付は４００〜１，０００ｇ／ｍ^２の範囲がより好ましい。
【００２５】
本発明のプリフォーム４は、強化繊維基材１同士の剥離強さが１Ｎ／ｍ以上であるのが好ましい。より好ましくは３Ｎ／ｍ以上、更に好ましくは５Ｎ／ｍ以上である。１Ｎ／ｍ以上の剥離強さを有していないと、取り扱い時に強化繊維基材１とマトリックス樹脂シート２とがバラバラに分解してしまってプリプレグ３としての体をなさなくなり、好ましい形状のプリフォームを成形できなくなるからである。。ここでいう剥離強さとは、ＪＩＳＫ６８５４−３（接着剤−剥離接着強さ試験方法−第３部：Ｔ形剥離）に準じて測定した値をいう。具体的には強化繊維の配向方向に２５０ｍｍ、その直角方向に１５０ｍｍの長さになるように強化繊維基材を裁断したものを積層し、強化繊維の配列方向に長さ６０ｍｍの非接着部を設けてプリフォーム化したものを用いる。そして、非接着部の端部を把持し、引張試験機により試験速度１０ｍｍ／分で剥離長さが１５０ｍｍになるように剥離試験を行う。なお、試験結果は、１５０ｍｍの剥離長さにおける最初と最後の２５ｍｍの長さを除いた１００ｍｍの剥離長さを剥離するの要した平均剥離荷重（Ｎ）を剥離長さ１００ｍｍで除した値を剥離強さ（Ｎ／ｍ）とする。
【００２６】
次に、図２を参照しながら、本発明のプリフォームを用いた繊維強化樹脂複合体の製造方法を説明する。図２は、本発明の製造方法の工程中、強化繊維基材への樹脂含浸工程を示した縦断面図で、図中、４が図１で説明した樹脂未含浸プリプレグ３の積層体からなる本発明のプリフォームである。
【００２７】
本発明のプリフォームを用いたＦＲＰ複合体を製造するには、まず、金属製成形型５の表面に例えばフッ素系のフィルム等の離型フィルム６を配置した後、その上に上記プリフォーム４を配置する。そして、その周囲にプリフォーム４に内在するボイドをバッグ材の外に排除する際に通気路となるエッジ・ブリーザー７を配置する。ここで、エッジ・ブリーザー７の配置位置は、プリフォーム４の周囲に接して配置することもできるがそうするとプリフォーム中の樹脂がエッジ・ブリーザー７に流れてしまうことになるため１０ｍｍ以上の距離をあけ接しないようにすることが好ましい。また、プリフォーム４とエッジ・ブリーザー７との間には、通気パスとなる撚り糸などの通気パス材８を適当な間隔をおいて配置すると良い。
【００２８】
次に、プリプレグ積層体４の表面に離型フィルム９を配置するとともにバッグ材（例えばフィルム、ラバー等）１０で全体を覆う。ここで、この離型フィルム９の上にはカウルプレートを配置しなくても構わないが、カウルプレートを配置すると加圧する圧力が強化繊維基材に均一に作用することから配置することが好ましい。なお、本実施態様例では離型フィルム６ないし９は、プリフォーム４が硬化後、成形型やカウルプレートなどと接着しないために配置したものであり、成形型やカウルプレート表面に離型剤を塗布する場合においては省略しても構わない。
【００２９】
次に、バッグ材１０の周縁と成形型５との間にシール材１１を配置し、バッグ材の内の気密性が保たれるようにする。そして、エッジ・ブリーザー７上にバッグ材１０の内部が真空吸引できるように真空吸引口１２を取り付ける。このようにすることでプリフォーム内に残っている空気が通気パス材８、エッジ・ブリーザー７、真空吸引口１２を順に通りバッグ材の外に排気される経路が形成される。
【００３０】
ついで、図示しない真空ポンプで吸引口１２から真空吸引しながら（換言するとバッグ材の内部を大気圧で加圧しながら）、プリプレグ積層体４をバッグ材の外部から熱風やヒータによる直接加熱等の適当な加熱手段により加熱する。これにより、プリプレグ３を構成する個々の強化繊維基材１には、従来のプリプレグとは異なり、マトリックス樹脂が全くないしは殆ど含浸されていないことから、各プリプレグ３の強化繊維基材１がブリーザーの如き役割を果たし、バッグ材内の空気が基材１およびエッジ・ブリーザー７を介して、バッグ材の外に排出されるとともに、その代わりに強化繊維基材１表面に配置されているマトリックス樹脂シート２のマトリックス樹脂が強化繊維基材１内に移動する。この場合、前述のように吸引口１２から真空吸引しているので、基材内への樹脂含浸がより助長され、プリフォーム４の隅々にまで樹脂が行き渡ることになる。すなわち、強化繊維基材両表面に配置したマトリックス樹脂シートが加熱されることで粘度が低下するために、マトリックス樹脂が強化繊維基材の厚み方向に徐々に含浸し、未含浸部分にマトリックス樹脂が充填されることになる。この場合、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、加熱によりマトリックス樹脂はゲル化、次いで硬化する。
【００３１】
ここで、加熱に加え、バッグ材の外部から大気圧を超える圧力で強制加圧すると、更に含浸時間を短くするだけでなく、ボイドの発生も抑制することができるため好ましい。かかる加圧方法としては、プレス、オートクレーブ等を用いることができ、中でも複雑な型にも追従しやすいオートクレーブが特に好ましい。
【００３２】
ここで、マトリックス樹脂の含浸距離は、樹脂フィルムをプリフォーム４のすべての層間に配置していることから、強化繊維基材１厚みの半分の距離で済み、よって含浸が短時間に可能となる。また、強化繊維基材に部分含浸されていないので、その含浸距離はどの場所においてもほぼ一定であることから、従来法のように先に樹脂含浸し、強化繊維基材内の空気と樹脂が置換されずに空気が閉じこめられることもなく、したがってボイドレスのＦＲＰを製造することができるのである。
【００３３】
真空ポンプは少なくともマトリックス樹脂の硬化または固化が完了するまで運転し、バッグ材の中を真空状態に保つと、大気圧により加圧され続けるため樹脂含浸が促進され、好ましい。
【００３４】
次に、樹脂の硬化後、バッグ材、エッジ・ブリーザーなどを除去し、成形型から脱型する。以上の工程によりボイドの発生がなく、機械的特性に優れた本発明のＦＲＰ複合体が得られる。
【００３５】
以上が本発明の製造方法の概要であるが、個々の工程はさらに以下の態様とすることもできる。すなわち、本発明に用いる成形型５は、真空バッグ吸引による負荷やオートクレーブ成形時の加圧によりほとんど変形しないことが好ましく、金属ないしＦＲＰなどの高剛性材料のものが好ましい。
【００３６】
また、離型フィルム９は、成形型やカウルプレートとＦＲＰの固着を防ぐ必要があり、素材としては、離型性および耐熱性に優れたＦＥＰ（ＦｌｕｏｒｉｎａｔｅｄＥｔｈｙｌｅｎｅＰｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＶＦ（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌＦｌｕｏｒｉｄｅ）、ＥＣＴＦＥ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｃｈｌｏｒｏｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）などのフッ素系フィルムが好ましい。
【００３７】
また、本発明に用いるエッジ・ブリーザー７は、空気および樹脂を通過させることができることが好ましく、例えばナイロン繊維織物、ポリエステル繊維織物、ガラス繊維織物やナイロン繊維、ポリエステル繊維からなる不織布を使用することができる。また、通気パス材８としては、適度な通気性を有するとともに低粘度になった樹脂が流れにくいことが要求されることから有機繊維や無機繊維からなる撚糸が好ましく。特に好ましくは耐熱性が優れ安価なガラス繊維が好ましい。また、バッグ材１０は、気密性が保て耐熱性が良好であることが必要であり、例えばナイロンフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ＰＶＣ（塩化ビニル）フィルム、ポリプロピレンフィルムやポリイミドフィルムなどである。
【００３８】
また、シール材１１は、金属ないしＦＲＰからなる成形型とバッグ材の双方に強固に接着しオートクレーブ成形中においてバッグ内の気密性を維持する必要があり、ブチルゴム系やシリコーンゴム系の材料である。カウルプレートは、成形型と同様に真空バッグ吸引による負荷やオートクレーブ成形時の加圧によりほとんど変形しないことが必要であり、金属ないしＦＲＰなどの高剛性材料からなる。なお、カウルプレートはプレッシャープレートとも呼ばれることもある。
【００３９】
また、上記においては本発明におけるプリフォーム４として樹脂未含浸プリプレグ３のみを用いてＦＲＰを成形する製造方法について示したが、樹脂を完全含浸させたプリプレグを勿論併用することもできる。
【００４０】
また、加熱工程においては、加熱過程が一定温度で一定時間２回以上保持するステップキュアであることが好ましい。すなわち、前記ステップキュアにすることにより１回目の保持温度において樹脂の硬化反応が進みにくい状態で樹脂の粘度が低下し、含浸時間がかせげるからである。ここでこの一定温度保持時間は、含浸のしやすさや樹脂の種類に応じて適宜選択すればよいが、通常は含浸しやすいように樹脂の最低粘度になる温度近辺であり、目安として７０〜１５０℃の温度範囲で、０．５〜２時間程度である。そして、２回目の保持温度にてマトリックス樹脂が硬化しＦＲＰとなる。また、１回目の保持温度におけるマトリックス樹脂の最低粘度が０．１〜２Ｐａ・ｓであることが好ましい。すなわち樹脂の粘度が０．１Ｐａ・ｓ未満であれば樹脂の粘度が低すぎるために加熱かつ加圧により樹脂がフローしやすくＦＲＰにした場合にＶｆの変化が生じるからである。また最低樹脂粘度が２Ｐａ・ｓを越えると樹脂の粘度が高すぎるために強化繊維基材に含浸しにくくＦＲＰにした時にボイドが発生しやすくなる。このため、１回目の保持温度におけるマトリックス樹脂の最低粘度が０．１〜２Ｐａ・ｓであることが好ましい。
【００４１】
成形工程において、オートクレーブを用いて加熱、加圧する場合、その加熱温度および加圧力は、使用する樹脂や強化繊維基材の種類によって選択されるものであり、一般産業用途などのあまり耐熱性が要求されないＦＲＰにおいては硬化温度が１３０℃で圧力が０．３ｋＰａ程度、また、航空・宇宙用途などの耐熱性が要求されるＦＲＰにおいては硬化温度が１８０℃で圧力が０．６ｋＰａ程度である。
【００４２】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例）
図１および図２において、強化繊維基材１としては、東レ（株）製炭素繊維Ｔ７００Ｓ−２４Ｋ−５０Ｃを経糸および緯糸に用い、織物目付が４００ｇ／ｍ^２の二方向織物を製織した。また、マトリックス樹脂シート２として、１８０℃硬化型エポキシ樹脂（室温から２０℃／ｍｉｎの昇温速度で１２０℃における粘度０．３Ｐａ・ｓ、硬化前のガラス転移点−５℃、１８０℃×２時間の硬化後のガラス転移点１９５℃）を用い、樹脂目付が１１０ｇ／ｍ^２になるように樹脂フィルムを作製した後、炭素繊維織物の両面に貼り付け、樹脂が未含浸状態のプリプレグ３を作製した。
【００４３】
この樹脂未含浸プリプレグ３を３０×３０ｃｍのサイズにカットし、６枚重ね合わせて樹脂未含浸プリプレグ積層体からなるプリフォーム４を作製し、成形型５の上に離型フィルム６、プリフォーム４の順で配置した。ついで、このプリフォームの周囲に１５ｍｍの間隔をあけてエッジ・ブリーザー７を配置し、エッジ・ブリーザーとプリフォームの間に通気パスとなる通気パス材８（ガラス繊維の撚り糸ＥＣＧ１５０１／２を４本引き揃え）をそれぞれ１０ｃｍ間隔をあけて配置した。
【００４４】
さらに、プリフォーム４およびエッジ・ブリーザー７の表面を離型フィルム６で覆い、さらに離型フィルムの上にプリフォームの大きさと同じ３０×３０ｃｍのサイズのカウルプレート（図示せず）を配置した後、全体をバッグ材１０で覆い、エッジ・ブリーザー７に接して、真空吸引口１２を取り付けシール材１１にて成形型５とバック材１０とを接着した後、バッグ材の内を真空吸引し、真空状態にした。そして、この真空吸引した状態で成形型をオートクレーブに入れ、真空吸引しながら常温から１．５℃／分の昇温速度で１２０℃まで昇温した後１２０℃で１時間でいったんホールドした後、さらに１．５℃／分の昇温速度で１８０℃まで昇温し１８０℃×２時間のキュア行い、２．０℃／分で常温まで降温した。この時の圧力は成形開始直後から０．０４ｋＰａ／分の昇圧速度で０．６ｋＰａまで昇圧するとともに樹脂が硬化するまで圧力を保持した。そしてＦＲＰ成形板Ａを作製した。なお、樹脂の最低粘度は１４０℃で０．７Ｐａ・ｓであった。
【００４５】
ここで、得られた成形板は、プリプレグ加工時にホットローラなどにより加熱加圧していないことから強化繊維の蛇行は生じなかった。さらに、樹脂含浸状態を断面観察により調査したところ、ボイドもなく樹脂含浸が良好であった。また、得られた成形板の繊維体積割合（Ｖｆ）は、５６％であった。
（比較例１）
比較例１として、実施例におけるプリプレグを作製する際に１３０℃に加熱したホットロールを通過させ、織物に樹脂を完全含浸させ、樹脂完全含浸プリプレグを作製したほかは実施例と同じようにしてプリフォームを作製した。
【００４６】
ここで、プリフォームは樹脂完全含浸プリプレグから構成されるが、このプリプレグを加工する際に、織物の経糸方向に引き出しながら張力を付与しつつ連続的にホットロールを通過させたが、樹脂が含浸しにくいことから含浸圧力を高める必要が生じ、結果としてロールによる加圧の際に無張力の緯糸が大きく蛇行した。
【００４７】
このプリフォームを用いて他は実施例と同じようにして、ＦＲＰ成形板Ｂを作製した。得られた成形板の樹脂含浸状態を断面観察により調査したところ、ボイドもなく樹脂含浸が良好であった）。また、得られた成形板のＶｆは、５５％であった。
（比較例２）
比較例２として、実施例で使用した織物と同じ強化繊維織物を６枚積層し、その強化繊維基材積層体の上面に樹脂目付が１３２０ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを貼りあわせて成形した他は実施例と同じようにして、ＦＲＰ成形板Ｃを作製した。
【００４８】
得られた成形板は積層した強化繊維基材の半分程度までしか樹脂は含浸しなかった。
（比較例３）
比較例３として、実施例におけるプリプレグを作製する際に１００℃に加熱したホットロールを通過させ、織物に樹脂を部分含浸させ、部分含浸プリプレグを作製したほかは実施例と同じようにして、プリフォームを作製した。
【００４９】
ここで、プリフォームは部分含浸プリプレグから構成されるが、このプリプレグにおいて、織物の経糸と緯糸の交錯によって生じる空隙部においては上下面の樹脂が織物中央部まで充填されているのに対し、経糸と緯糸の交錯部分では織物厚みの１／４程度までしか含浸していなかった。
【００５０】
このプリフォームを用いた他は実施例と同じようにしてＦＲＰ成形板Ｄを作製した。得られた成形板Ｃの樹脂含浸状態を断面観察により調査したところ、織物の構成する炭素繊維ストランドの中央部にボイドが多数観察された。また、得られた成形板のＶｆは、５５％であった。そして、これらのＦＲＰ成形板の力学特性を調査すべく、ＪＩＳＫ７０７６（炭素繊維強化プラスチックの面内圧縮試験方法）に準じて織物の緯糸方向の圧縮試験を行った。
【００５１】
これら強化繊維基材への樹脂含浸状態などの成形性と圧縮試験結果を纏めたのが次の表１である。
【００５２】
【表１】

【００５３】
表１に示すように、実施例のものはプリフォーム４を構成するプリプレグ３が加工時にホットローラなどを用いて加熱加圧含浸させていないことから、繊維蛇行が生じることがなかった。また、オートクレーブ成形の際においてもプリフォームを構成する強化繊維基材のすべての層間およびプリフォームの両表面に樹脂フィルムが存在していることから織物の厚み方向における樹脂の含浸距離が小さくてかつ一定であることから、成形後のＦＲＰは、ボイドの発生もなく、強化繊維の持つ高強度特性を十分に発揮させることができるものであった。
【００５４】
一方、比較例１においては、プリプレグ加工段階で樹脂を完全含浸させることができたものの緯糸が蛇行したことから、ＦＲＰの圧縮強度が６２１ＭＰａと低く、強化繊維の持つ高強度、高弾性特性を有効に発揮することができなかった。
【００５５】
また、比較例２においては、プリフォームにおける織物の厚み方向への樹脂の含浸距離が大きかったことから樹脂が未含浸であるＦＲＰとなった。
【００５６】
さらに、比較例３においては、織物の厚み方向への含浸距離が異なる部分含浸プリプレグからなるプリフォームを用い、織物の空隙部に樹脂が充填されているにも関わらず経糸と緯糸の交錯部分においては含浸厚みが小さかったことから織物内部に空気が閉じこめられ、この空気が成形時に除去できずボイドとなった。このため、ＦＲＰの圧縮強さは、５２５ＭＰａと低く、強化繊維の持つ高強度、高弾性特性を有効に発揮することができなかった。
【００５７】
【発明の効果】
本発明のプリフォームおよびそのプリフォームを用いたＦＲＰの製造方法によれば、プリフォームが少なくとも片面にマトリックス樹脂シートが接着しているプリプレグの積層体であり、このプリフォームを構成する強化繊維基材のすべての層間にマトリックス樹脂シートが存在し、かつ、このマトリックス樹脂シートの樹脂が強化繊維基材に実質的に未含浸であることから、強化繊維基材の厚み方向への含浸距離が一定でかつ小さくなることにより、バッグ材の内部を真空吸引しつつバッグ材の外部から加熱することで強化繊維基材内へのマトリックス樹脂の含浸を促進させることができる。したがって、ボイドの発生もなく、強化繊維の持つ優れた力学特性を有効に発揮することができるＦＲＰを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリフォームの一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１のプリフォームを用いた本発明の製造方法の一実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：強化繊維基材
２：マトリックス樹脂シート（樹脂フィルム）
３：樹脂未含浸プリプレグ
４：プリフォーム
５：成形型
６：離型フィルム
７：エッジ・ブリーザー
８：通気パス材
９：離型フィルム
１０：バッグ材
１１：シール材
１２：吸引口

Claims

強化繊維基材の少なくとも片面にマトリックス樹脂シートが接着してなるプリプレグが複数層積層されたプリフォームであって、前記プリフォームを構成する複数の基材のすべての層間にマトリックス樹脂シートが介在し、かつ、このマトリックス樹脂シートの樹脂が、前記強化繊維基材に実質的に未含浸状態であることを特徴とするプリフォーム。
強化繊維基材を構成する強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載のプリフォーム。
強化繊維基材の目付が２００〜１，０００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１または２に記載のプリフォーム。
強化繊維基材における強化繊維の配列方向が二方向以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプリフォーム。
プリフォームにおける強化繊維基材同士の剥離強さが１Ｎ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプリフォーム。
予め所定形状に賦形した強化繊維基材からなるプリフォームに合成樹脂を含浸させた後、加熱して繊維強化樹脂複合体を製造する方法において、
（Ａ）前記プリフォームに請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォームを用いるとともに、
（Ｂ）このプリフォームを成形型上に載置した後、全体をバッグ材で覆い、その内部を大気圧よりも低い状態になるように吸引しつつ前記バッグ材の外部から加熱することで前記基材内部にマトリックス樹脂を含浸させることを特徴とする繊維強化樹脂複合体の製造方法。
さらに、大気圧を超える圧力で、バッグ材の外部から加圧することを特徴とする請求項６に記載の繊維強化樹脂複合体の製造方法。
バッグ材の内部に配置したカウルプレートを介してプリフォームを構成する樹脂未含浸プリプレグを加圧することで、基材内部に樹脂を含浸させることを特徴とする請求項６または７に記載の繊維強化樹脂複合体の製造方法。
加熱工程が、７０〜１５０℃の温度範囲で、かつ０．５〜２時間の範囲内において、２回以上保持するステップキュアであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の繊維強化樹脂複合体の製造方法。
１回目の保持温度におけるマトリックス樹脂の最低粘度が０．１〜２Ｐａ・ｓの範囲であることを特徴とする請求項９記載の繊維強化樹脂複合体の製造方法。