JPH01111037A - 成形用複合繊維布帛 - 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］ 本発明は強度、弾性率及び加工性の優れた複合材料とし
ての布帛に関するものであって、ラジアルタイヤなどの
自動車部品や各種機械構造部品或は圧力容器やバイブな
どの強化材として広汎な分野で利用することができるも
のである。

［従来の技術］ 熱可塑性樹脂をマトリックスとし強化繊維を分散材とし
・て使用した複合強化材としては、例えば静電気を利用
してガラス繊維ストランドを開繊し、熱可塑性樹脂粉末
を付着したあと加熱溶融してテープ状ストランドを成形
する方法（特公昭４７−３６４６７）、或は熱可塑性樹
脂の粉末を付着させた強化繊維のストランドに柔軟性熱
可塑性樹脂を被覆して柔軟性ストランドとし、このスト
ランドを織物等に熱成形する方法（特開昭６Ｏ−３６１
５６）等がある。

［発明が解決しようとする問題点］ この様な複合材料にあっては、どの様な強化繊維を選択
するか、どの様な手段を用いて高溶融粘度熱可塑性樹脂
（以下マトリックスということがある）を均一にしかも
ボイドが少なくなる様に強化繊維に含浸させるか、或は
どの様な方法によって強化ｉａｍの強度や弾性率等の特
性を劣化させることなくマトリックスと強化繊維を溶融
成形するかなどがポイントとなる。

前記の様な従来の技術を用いて含浸性の良い成形用複合
材料を得るには、マトリックスとしてミクロン単位の粉
末を用いる必要があり、強化繊維の開繊、マトリックス
の付着・溶融、場合によっては被覆等の複雑な工程を要
し、作業性が良くないばかりか、強化繊維の種類によっ
ては溶融成形時の熱影響により強化繊維の特性が劣化し
、成形用複合材の性能を低下させるおそれがあった。

本発明はこの様な状況に鑑みてなされたものであって、
マトリックスの含浸性が極めて良好で強度、弾性率及び
加工性に優れた成形用複合繊維布帛を提供することを目
的とするものである。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明は強度及び弾性率が優れた超高強力ポリエチレン
繊維と該超高強力ポリエチレン繊維より融点が１０℃以
上低い熱可塑性繊維とが複合された糸条より形成されて
いることを要旨とするものである。

［作用］ 本発明は高強度、高弾性率を有する超高強力ポリエチレ
ン繊維（以下強化繊維ということがある）を使用するも
のであるが、その強度は、本発明に係る成形用複合繊維
から成形した布帛を使用して製造される自動車部品や機
械構造部品等の製品に必要とされる強度を考慮すると、
少なくとも引張強度２０ｇ／デニール以上、好ましくは
３０ｇ／デニール以上、更に好ましくは４５ｇ／デニー
ル以上であることが必要である。

デニールに関しては、強化繊維及びマトリックス繊維と
も総デニールが１００〜１０００デニール（１０〜１０
０フイラメント）の繊維を用いると、例えば電気開繊法
によって良好な開繊状態が得られ、最終複合成形品中の
マトリックスと強化繊維との混合状態がより均一になり
、優れた複合効果が得られるが、この範囲に限定される
ものではない。

この様な強化繊維の製造方法の一例を説明すれば次の通
りである。

超高分子量のポリエチレン（例えば重量平均分子量が１
×１０Ｉ′以上、好ましくはｔｘｔｏ’以上の超高分子
量ポリエチレン）を用いて溶液紡糸し、得られたゲルフ
ァイバーを、延伸ゾーン（入口温度を供給ファイバーの
使用溶媒に対する溶解点よりも高く且つその融点より低
い温度とする一方、出口温度は供給ファイバーの融点よ
りも高く且つ延伸後のファイバーの融点よりも低い温度
とした延伸ゾーン）を通過させながら多段延伸をすると
いった新規な高倍率延伸方法によって得られる。

この様にして得られた強化繊維とマトリックス繊維とを
複合して布帛とするが、マトリックス繊維はその融点が
強化繊維の融点より１０℃以上低いものであることが必
要である。即ち布帛を溶融成形する場合に強化繊維の融
点に近接した温度で処理されるが、強化繊維とマトリッ
クス繊維の融点差が１０℃より小さい場合は、布帛の溶
融成形工程における温度制御が容易でなく、また強化繊
維が熱的影響を受けてその物性が変化し、最終複合成形
品の強度等の性能が劣化するおそれがある。

マトリックス繊維の融点が強化繊維の融点より１０℃以
上低い場合はマトリックス繊維の軟化点より高い温度（
好ましくはマトリックス嘩維を溶融させるのに十分な温
度以上の温度）であって、しかも強化繊維の融点より低
い温度範囲で溶融成形することは比較的容易である。従
ってマトリックスの強化繊維への含浸が、均一で且つボ
イドが少なくなる様に十分に行なわれ、しかも強化繊維
の物性が溶融成形温度の影響を受けて性能等の劣化を招
くことがない最終複合成形物を得ることができる。

マトリックス繊維としては上記の温度条件を満たす繊維
形成性熱可塑性重合体よりなるものであれば特に制限さ
れず、ポリエチレン繊維、ポリブテン−１繊維等が例示
されるが、前記の方法で製造した強化繊維を使用する場
合は、その融点が１４７℃であることからマトリックス
繊維としてはポリエチレン繊維（融点１１０〜１３７℃
）、ポリブテン−１１ａ維（融点１２０〜１３０℃）が
特に好ましい。

強化繊維とマトリックス繊維の複合方法としては、非混
繊状態に複合する方法と混繊状態に複合する方法がある
。非混繊状態とは、強化繊維１とマトリックス繊維２が
第１図（断面図）に示す様にサイドバイサイドの形状に
なるか、或は第２図（断面図）に示す様にシースコアの
形状になる場合をいう。前者は引揃え或は合撚により形
成することができ、後者はカバリング法によって形成す
ることができる。

一方混繊状態とは強化繊維１とマトリックス繊維２が、
第３図（断面図）に示す様に相互にほぼ完全に混合して
いる状態をいう０本発明においては混繊、非混繊のいず
れの状態に複合してもよいが、マトリックスが強化繊維
間に均一に分散され、ボイドを少なくし、最終複合成形
物の強度を良好なものとするためには混繊状態に複合す
ることがより好ましい。

本発明は以上の様にマトリックスとして、粉体を使用す
るのでなく繊維を使用するものであるから、複合工程及
び溶融成形工程のいずれにおいても複雑な操作を必要と
せず、混繊或は非混繊のどちらを採用しても製造工程の
作業性は極めて優れたものとなる。

尚マトリックス繊維と強化繊維を混繊状態に複合する方
法は限定されないが、ナスラン法、電気開繊法、インタ
ーレース法が例示される。

以下これらの方法について説明する。

（１）ナスラン法 この方法は複数のフィラメントをエヤジェットによる流
体乱流域に弛緩状態で供給し、ループや絡みを形成して
嵩高糸を形成する乱流撹乱法である。この方法によって
単繊維フィラメントを互いに分離させ乱流域内で撹乱さ
せて、張力がかからないように連続して乱流撹乱域から
取り出す操作によってループや絡みなどが不規則に混在
したバルキー状態の糸を瞬間的に得ることができる。

この技術を強化繊維およびマトリックス繊維の複合に適
用する事により、極めて高い生産効率で向繊維を複合す
ることができる。乱流撹乱法により製造される複合糸の
特徴は前述の通り多数のループや絡みが形成されること
にあり、強化繊維およびマトリックス繊維の特性を活か
して特異な複合糸を製造し、該複合糸条を用いた布帛を
溶融成形することも極めて容易である。即ち、ポリエチ
レン、ポリブテン−１等のマトリックス繊維に対して、
強化繊維の供給速度を小さくし、且つ張力を高くするこ
とにより、攪乱流域において強化繊維に対してマトリッ
クス繊維のループや絡みが形成される。特に強化繊維は
モジュラスが高いため、やや張力を高くするだけで攪乱
流域での旋回を小さくすることができる。また重要なポ
イントとして供給速度比があげられるが、これは向繊維
の混合比率により決定され、強化繊維はマトリックス繊
維に対し０．０５〜０．５倍、好ましくは０．１〜０．
３倍の速度であることが望ましい。０．０５倍以下の場
合は最終複合成形品における強化効率が悪く、一方０．
５以上の場合は最終複合成形品のボイド率が高くなるほ
か、攪乱流域での強化繊維のループや絡みの形成が起こ
り好ましくない。乱流撹乱法によれば、該向繊維の総デ
ニールやフィラメント数は供給速度比及びノズル形状、
流体圧力等の機械的条件によって決定されるが、１００
〜１０００デニール、１０〜１００フイラメントの繊維
を用いることが好ましい。

（２）１久皿嘩韮 フィラメントおよびステーブルを混合して複合糸条を製
造する方法として電気的開繊装置を用いてフィラメント
を開繊し、ステーブルをフロントローラーの直前におい
て重ね合せて加熱し、捲取ることにより、向繊維が偏り
なく混合配置する方法がある。この方法によれば異なる
繊維のフィラメントとステーブルを連続的に均一に混合
した糸を得ることができる。

この方法を本発明に適用することにより極めて均一な複
合糸を製造することができる。この場合強化繊維は、電
圧印加により良好な開繊状態が得られるので好適であ・
る。

この方法を用いる場合のデニールおよびフィラメントも
１００〜１０００デニール、１０〜１００フイラメント
が適しており、開襟混合後加撚することにより、布帛製
造工程における操作性を向上することができ、更に繊維
間のバッキングが密になり、溶融成形におけるボイド低
減に寄与することもできる。

（３）インターレース法 インターレース法は糸軸とほぼ並行に２個またはそれ以
上の渦流乱流帯域をつくり、この帯域にフィラメントを
導いてループやクリンプを生じない程度に張力をかけ、
非嵩高性の緊密なストランドを製造する技術である０本
方法の原理は流体がフィラメント軸に対して垂直となる
ように流体をフィラメントに衝突させ、同時にフィラメ
ントに対して平行な乱渦流を生じるようにし、この乱渦
流が糸の張力及び流体の速度または圧力に応じた程度に
フィラメント束を分繊すると同時に全く無作為に個々の
フィラメントに仮撚をかけ、たたみ込みインターレース
させるのである。

得られるインターレースの度合は、張力、流体圧、オー
バーフィード率、フィラメントのデニール、フィラメン
ト、糸のモジュラスなどに影響される。インターレース
法を用いた場合の効果としては、生産性が高くしかも繊
維間の混合が均一であり、また複合糸の布帛を容易に製
造することができると同時に溶融成形時のボイドを極め
て少なくで縫ることなどがあげられる。この方法におけ
る特に重要なポイントは、オーバーフィード率、張力、
液体圧力およびデニール、フィラメント数にある０強化
繊維は、一般にマトリックスｌａ維に比べてモジュラス
が高いため、オーバーフィード率をやや高くすることが
必要であって、好ましくは１０５〜１１０重量％に設定
することが重要である。マトリックス繊維は、含有率に
応じて、強化繊維のオーバーフィード率を基準に設定す
ればよい、同様に張力および流体圧力においても強化ｔ
ａ維を基準として、従来の衣料用糸の製造条件に比べて
やや高い条件で加工することがポイントとなる。特に、
均一な混合を行うためには流体圧力は１０〜５０　ｐｓ
ｉｇ、好ましくは３０〜５０　ｐｓｉｇ。

が好適である。また均一な分繊混合には上述の条件の他
に、複合する開繊維のデニールおよびフィラメント数も
重要である。乱渦流域内における混合は、線密度が密接
に関係するので均一な混合を行うには、線密度が同じで
あることが好ましい。

本発明においては、１００〜ｔ　ｏｏｏデニール、１０
〜１００フイラメントの繊維同士をインターレース糸と
することが好ましく、単繊維のデニールとしては１〜１
０デニール、好ましくは１〜３デニールであれば良好な
加工性、生産性を示し、織編工程および溶融成形工程に
おいても・十分な加工性が得られ優れた複合成形物とな
る。

この様にして得られた成形用複合繊維糸条（以下、車に
糸条ということがある）は、単独で布帛に形成して溶融
成形に用いることもできるし、又糸条を一部に使用し、
残部にマトリックス繊維を用いることによって布帛を形
成し溶融成形することもできる。

上記したいずれの方法による場合であっても、得られた
布帛中の強化繊維と、マトリックス繊維との混合比率は
５％（重量％の意味、以下同じ）未満の場合は、最終複
合成形物における補強効率が悪く、一方８０％を超える
場合は、マトリックスの含有率が少なくなり、含浸度が
悪く最終複合成形物のボイド率が大となって好ましくな
い。

従って糸条よりなる布帛中の強化繊維の含有率は５〜８
０％、好ましくは１０〜７０％、更に好ましくは２０〜
６０％である。

尚糸条より布帛を成形する場合については、上記した糸
条な単独で使用する方法と、糸条とマトリックス繊維を
混合して使用する方法を比較すれば、強化繊維とマトリ
ックス繊維の混合の均一性は、前者の方法による場合が
優れていてより好ましい、即ち前者による場合は糸条を
構成する単繊維のレベルで均一性を得ることができるが
、後者による場合は糸条とこれに複合されるマトリック
ス繊維間の均一性にとどまるからである。

従って強化繊維に対するマトリックス繊維の含浸性及び
最終複合成形物の強度特性も前者による場合が優れてい
る。

ところで本発明の布帛には織物、絹物或は不織布が含ま
れる。織組織としては三元組織である平織、綾織、朱子
織はもちろんのこと、それらの話導組織、斜子織、うね
織、破れ綾織、杉綾織などが例示される。また通常ガラ
スクロスなどの強化布の織組織として用いられている目
板平織、からみ織、模紗織等用途により様々な織組織が
例示されるが、これらに限定されるものではない。さら
に溶融成形品を一方向強化材あるいは斜交積層板として
使用する場合には、経糸あるいは緯糸のどちらか一方に
（好ましくは経糸に）糸条を用い、他の一方にこの糸条
を構成する同じ種類のマトリックス繊維を用いて製織し
、所定枚数、所定角度に積層した後、溶融成形すればよ
い。また糸条を用いて編地を構成するに際しては、経編
、丸編、横綱のいずれの方式でもよく、またいかなる編
組織を採用してもよい、とりわけ製編後溶融成形した成
形シートの利用率を高めるためには、糸条は編目を形成
しないでレイインまたはタックインの形で編込まれてい
る方が好ましく、より好ましくはレイインである。経編
方式でレイインを与える編組織としては、複合糸の経糸
を０−Ｏ／１−１の筬運動などで挿入編させることもで
き、この編地は経方向に高度に強化されたものとなる。

また経方向及び緯方向の両方向を高度に強化するために
は、前記経糸挿入編に加えて緯糸挿入編を付加すればよ
い、これらの編地は経編機で容易に製編することができ
る。丸編や横綱については、一方向のみの強化に優れて
いるため、編地を所望の方向に積層することにより、一
方向強化材あるいは斜交積層板として使用することがで
きる。

本発明に係る糸条から製編織等により作製された複合成
形物用のシートは、二次加工プロセスに使用するために
所定の大きさに裁断され複合成形物の重量に等しくなる
枚数を重ねて試料とする。

次いでマトリックス繊維の軟化点より高い温度（好まし
くはマトリックス繊維を溶融させるに十分な温度）に予
熱された試料を金型に入れる。

そして最後に金型をプレスして所望の形態に成形する。

プレス圧力は一般に投影面積に対して５０〜１５０　Ｋ
ｇ／＋ｅｍ’が必要であり、加圧速度は速いほどよく１
〜２秒が好適である。金型の温度はマトリックス繊維の
融点以下が好ましく、冷却時間は成形品のもつとも厚い
部分の厚さにより決定される。また該複合成形物用のシ
ートは、あらかじめ熱間ブレスロール等によりマトリッ
クス繊維を溶融含浸せしめたものをブランクに使用し予
熱温度をマトリックス繊維の融点以下とし、塑性変形に
よる固相スタンピングに供することもできる。

以下実施例について説明するが、本発明は下記の実施例
に限定されるものではなく前・後記の趣旨に徴して適宜
設計変更することは本発明の技術的範囲に含まれる。

［実施例］ 以下の実施例において繊維の強伸度特性の測定は下記の
方法で行なった。

東洋ボールドウィン社製テンシロンを用い、試料長（ゲ
ージ長）３０ｍｍ、伸長速度１００％／分の条件で単繊
維のＳ−Ｓ曲線を測定し引張強度（ｇ／ｄ）　、初期弾
性率（ｇ／ｄ）を算出した。

初期弾性率は、Ｓ−Ｓ曲線の原点付近の最大勾配より算
出した。各特性値は２０本の単繊維５つ）１で測定した
ものの平均値とした。

夫ｉ皿工 ３２ｇ／デニールの引張強度をもつ、４００デニール、
フィラメント数２００の超高強力ポリエチレン繊維（分
子量＝２００万、融点：１４７℃）と４００デニール、
フィラメント数１５０のポリエチレン繊維（融点：１２
０℃）を素材として、２対の向い合った流体導管が開口
しているインターレース機を用い複合糸を製造した。

流体圧力を５０　ｐｓｉｇ、とじ、約５００ｍ／分の速
度で包製流域で複合することにより、該両繊維が均一に
混繊された８５０デニールの複合糸を得た０次いで該複
合糸を経糸とし、複合糸に用いたものと同一のポリエチ
レン繊維を緯糸として、経糸密度５０木／インチ、緯糸
密度５０本／インチの平織織物を製織した。該平織織物
より２０ｃｍＸ２０　ｃｍの寸法で切り出したシートを
試料とし、８０℃、１６時間、０．１　ｌｌｌｍＨｇ以
下の条件で真空乾燥を行ない、３枚のシートを、各層の
複合糸が同一方向になるように重ねた。この積層シート
を予め１２０℃に加熱した金型に充填し、軽荷重で３〜
５分間予熱溶融し次いで５０〜７０　Ｋｇｆ　／　ｃｍ
’の圧力で加熱圧縮成形を行なった。金型から取り出す
前に加圧下で６０℃まで急冷した。

以上の手順で溶融成形することにより複合糸および緯糸
に用いたポリエチレン繊維は、強化材として残フている
超高強力ポリエチレン繊維の間際に溶融含浸し、超高強
力ポリエチレン繊維を強化材とする一方向強化積層板が
得られた。この積層板を超高強力ポリエチレン繊維の軸
方向を試験片の長手方向とし、ＪＩＳ　　Ｋ７０５４に
準拠して引張試験を行なった結果、超高強力ポリエチレ
ン繊維の体積含有率は約３５％の試験片であり、１２２
０〜１３２０Ｍ　Ｐ　ａの引張強度を得た。また該積層
板のボイド率は２％以下であり極めて優れた外観を有し
ていた。

火五■ユ 実施例１と同一の素材を引揃えた複合糸を製造した。複
合糸のデニールは８００デニールであった。次いでこの
複合糸を経糸よび緯糸に用い、経糸密度５０本／インチ
、緯糸密度５０木／インチとして、平織物を作製した。

この織物より実施例１と同様に２０　ｃｍｘ　２０　ｃ
ｍに切り出したシートを３枚積層し試料とした。この試
料を実施例１と同様の条件で真空乾燥、予熱溶融、圧縮
成形に付し重さ１．５　ｍｍの強化積層板を得た。この
強化積層板の超高強力ポリエチレン繊維の体積含有率は
、約５０％であり、ボイド率は２％以下であった。

またこの積層板をＪＩＳ　　Ｋ７０５４にもとづいて引
張試験を行なったところ１７００〜１８５０Ｍ　Ｐ　ａ
の引張強度があり等方的であった。

［発明の効果］ 本発明は上記の様に強度および弾性が優れた超高強力ポ
リエチレン繊維と該超高強力ポリエチレン繊維より融点
が１０℃以上低い熱可塑性繊維を複合してなる布帛であ
るから、含浸性が極めて良好でボイドが少なく、強度、
弾性及び加工性が優れた複合成形用布帛を良好な作業性
で提供できることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明における非混繊状態の例を説
明する断面図であり、第３図は同じく混繊状態の例を説
明する断面図である。 １・・・超高強力ポリエチレン繊維 ２・・・熱可塑性有機繊維 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）強度及び弾性率が優れた超高強力ポリエチレン繊
   維と該超高強力ポリエチレン繊維より融点が１０℃以上
   低い熱可塑性繊維とが複合された糸条より形成されてい
   ることを特徴とする成形用複合繊維布帛。
2. （２）超高強力ポリエチレン繊維と熱可塑性繊維が混繊
   状態に複合されている特許請求の範囲第１項に記載の成
   形用複合繊維布帛。