JPH01163218A - 繊維強化樹脂組成物 - 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、強度及び疲労耐久性に潰れた繊維強化樹脂組
成物に関し、特に、繊維集束数の少ない炭素繊維チョツ
プドストランドを樹脂成分中に分散した繊維強化樹脂組
成物に関する。

［従来の技術］ 従来より、炭素繊維を所定の本数（通常６ｏ○０本ある
いは１２０００本）集束した炭素繊維ストランドを所定
の長さ（通常１インチ）に切断し、熱硬化性樹脂等の樹
脂成分中に分散させたシート・モールディング・コンパ
ウンド（以下Ｓ　Ｍ　Ｃという）やバルク・モールディ
ング・コンパウンド（以下ＢＭＯという）と呼ばれる繊
維強化樹脂組成物が知られている。これらのＳＭＣや［
３ＭＣは、その機械的特性、成形性、経済性等に優れて
いるため、構造材料として広（使用されている。（「カ
ーボンファイバー」　（オーム社）Ｐ１３〜Ｐ１５（昭
和５９年２月２０日発行）、「強化プラスチックハンド
ブック」　（日刊工業新聞社）Ｐ９０〜Ｐ９２、Ｐ１０
５〜Ｐ１１７（昭和５０年５月１５日発行）） ［発明が解決しようとする問題点］ 炭素繊維ストランドを用いて製造された従来のＳＭＯ，
ＢＭＣと炭素繊維を一方向に引き揃え、エポキシ樹脂等
で硬化させたいわゆる一方向繊維強化複合材料との力学
特性は弾性率、曲げ強度等のいずれにおいても、一方向
繊維強化複合材料の方が優れていることが一般に認識さ
れている。

しかしながら、ＳＭＣ，ＢＭＣのもつ経済性、成形性へ
の評価は高く、前記一方向繊維強化複合材料と遜色のな
いすぐれた特性を有するＳＭ０１８ＭＣの開発が強く望
まれていた。

本発明は、炭素繊維チョツプドストランドを樹脂成分に
充填して強化した高弾性、高強度であり、かつ疲労耐久
性に優れた繊維強化樹脂組成物を提供することを目的と
するものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の繊維強化樹脂組成物は、樹脂成分と該樹脂成分
中に分散したチョツプドストランドとからなる繊維強化
樹脂組成物において、 前記チョツプドストランドは長さが少なくとも１／２イ
ンチでｌＩ雑集束数が１０００本以下の炭素繊維チョツ
プドストランドであることを特徴とする。

ここで、チョツプドストランドとは、切断したストラン
ドのことである。本発明においては、このチョツプドス
トランドは長さが少なくとも１／２インチで、繊維集束
数が１０００本以下の炭素繊維より成っている。これに
より、樹脂組成物中に、ガラス繊維チョツプドストラン
ドをランダムに均一分散して、ストランド相互間の絡み
を倍加して緻密化した構造となる。

樹脂成分とは、特殊な樹脂に限定するものでなく、代表
例として不飽和ポリエステル、エポキシ、ビニルエステ
ル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。この中に前述の
如くチョツプドストランドが分散される。

繊維強化樹脂組成物とは、炭素繊維チョツプドストラン
ドが樹脂成分中に分散され、樹脂成分と一体化してなる
ＳＭＣ，ＢＭＯのことである。該繊維強化樹脂組成物中
の炭素繊維チョツプドストランドの配合割合は、樹脂組
成物全体を１００体積％としたとき３０体積％以上であ
ることが好ましい。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明する。

本発明による繊維強化樹脂組成物を１例としてＳＭＣの
形態で％Ｉ造する製造方法の概略図を第１図に示す。

（第１実施例） 本実施例におけるＳＭＣは、長さが１インチで、繊維集
束本数が５００本の炭素４ａｉ紺チヨツプドストランド
と、これを分散させた樹脂成分とからなる。

次に、炭素繊維を５００本集束させてチョツプドストラ
ンドにし、これを樹脂成分中に分散させてなる上記ＳＭ
Ｃの製造方法を説明する５００本の炭素ｔＪ＆雑が集束
した炭素ｌ！維ストランドを巻き取ったロービング１か
ら、第１図に示すように、ストランド２が引き出される
。引き出されたストランド２はガイドローラ３．４を介
してチョッパー５へ連続的に供給される。ストランド２
はチョッパー５で１インチの長さに切断され、繊維が集
束されたままの状態で落下する。落下したチョツプドス
トランド６は、第１シートロール７から供給されるプラ
スチックシート７ａ上に堆積する。なおこのプラスチッ
クシート７ａには第１の樹脂留め８から供給される樹脂
成分が塗布されている。樹脂成分は、不飽和ポリエステ
ル、硬化用有礪過酸化物、離型剤、および増粘剤とで構
成されている。プラスチックシート７ａは第１図の右方
向へ刻々移動しているため、チョツプドストランド６は
、プラスチックシート７ａ上の一箇所に堆積することな
く、プラスチックシート７ａ上に均等に分布する。ただ
し、チョツプドストランド６は、落下過程で、任意の方
向を向くため、プラスチックシート７ａ上では平面ラン
ダムに分散する。−力筒２シートロール９から供給され
るプラスチックシート９ａがチョツプドストランド６を
上から覆う。このプラスチックシート９ａにも第２の樹
脂留め１０から供給される前述と同１ｊ樹脂成分が塗布
しである。そのためチョツプドストランド６にはその両
面から樹脂が含浸する。こうして、上下をプラスチック
シート７ａ１９ａで挟持されたチョツプドストランド６
は樹脂を含浸しつつ巻き取りロール１１により巻き取ら
れる。

これによりＳＭＣが得られる。なお、この単ＪＩＳＭＣ
を所定の大きさに切り出し、プラスチックシート７ａ、
９ａを剥離し単層ＳＭＣをＶ４層した多ｍｓＭＧとして
もよい。ＳＭＣの成形はプラスチックシート７ａ、９ａ
を剥離した状態で加熱型内で加熱加圧し樹脂を硬化する
ことにより行う。

なお上記炭素繊維チョツプドストランドの配合割合はｖ
ａ雑強化樹脂組成物全体を１００体積％としたとき約４
０体積％になるようにした（４［の充填分率）。又チョ
ツプドストランドの配合割合が４０体積％をこえて増大
すると得られるＳＭＣ成形品の剛性及び強度は更に向上
するが、その弁製造工程におけるチョツプドストランド
内への樹脂成分の含浸が困難となる。従って配合割合は
４０％程度にすることが好ましい。

（第２実施例） 第２野実施例におけるＳＭＣは集束本数が１０００本で
各長さが１インチの炭素ｔａＨチョツプドストランドと
、これを分散させた樹脂成分とからなる。炭素繊維の集
束本数を１０００本にして、本発明の第１実施例と同様
の製造方法によりＳＭＣを製作した。又第１実施例と同
様、炭素繊維チョツプドストランドの配合割合はａ！維
強化樹脂組成物全体を１００体積％としたとき約４０体
積％゛になるようにした。

なお、炭素ｍ維の集束本数については１０００本以下と
して、その数値については特に制限を設けないが、極端
に集束本数を減らすと、炭素４！帷の配合割合を同じに
した場合、各チョツプドストランドを構成する繊維の相
対的本数が増加７する。

従ってＳＭＣの製造工程において落下したチョツプドス
トランド密度が大きくなり、樹脂成分が含浸しないとい
う不具合を生じる場合がある。実用上、炭素繊維の集束
数は２００本以上が好ましい。

本実施例では繊維強化樹脂組成物をＳＭＣの形態で製造
する場合を示したが樹脂成分と、これに３次元ランダム
にチョツプドストランドを分散させたＢＭＯとして製造
してもよい。

（実験〉 次に本発明の繊維強化樹脂組成物の第１及び第２実施例
に対する比較用として従来の炭素繊維の集束本数が６０
００本及び１２０００本のチョツプドストランドを用い
て前記第１及び第２実施例と同じ製造方法によりＳＭＣ
成形品を２種類作製し、比較例１、比較例２とした。

一■二記各実施例及び比較例としての単層ＳＭＣを１０
層積層し、温度１５０’Ｃ１圧力１５０ｋｏ／ｃｍ２で
３分間加圧成形し厚さ３ｍｍの板状成形品を得た。これ
らの成形品より曲げ剛性、曲げ強さ、疲労特性、アコー
スチック・エミッションの発生開始応力等の力学特性を
測定しその測定結果を第１表に示した。

なお剛性及び強度は幅２５＋＋ｏｎ、厚さ３ｍｍの試験
片をスパン間８０ｍｆｆ１の条件で３点曲げ試験するこ
とによって求めた。また、アコースチック・エミッショ
ンの計測は３点曲げ試験時に実施した。疲労試験は、幅
２０１１ｍ１厚さ３＋ＩＩＩＲ，長さ２２０ｍｌｌ１ノ
試験片を用い周波数１０Ｈｚで、最低応力１ｋｇ／ｍｍ
’、最大応力１０ｋｇ／ｌｌ１ｍ２の引張り条件で実施
し、試験片の破断に至るまでの負荷の繰返し回数を求め
た。

第１表において、力学特性の評価項目として、剛性率、
曲げ強さ、疲労試験における破断に至るるまでの繰返し
回数及び曲げ試験におけるアコースチック・エミッショ
ンの発生応力を選んだ。このうちアコースチック・エミ
ッションは材料内部のクラック発生に対応してアコース
チック・エミッションの発生応力が高くなるため、これ
によりクラック発生難易度が推定できる。

第１表より明らかな様に、本発明の第１及び第２実施例
によるＳＭＣ成形品は従来品である比較例１．２に対し
、曲げ剛性においては、およそ１０〜１５％、曲げ強度
においては４０％強の改善がみられ、疲労耐久性も１０
０００倍近く向上していることがわかる。又、アコース
チック・エミッションの発生応力も高く、クラックの発
生及び進展も極度に抑制されている。

上記の実験によれば、従来の比較例１、比較例２のＳＭ
Ｃ成形品に外力が作用すると、応力の集中が発生し、第
２図に示すように、まず、チョツプドストランド６ｏ内
部にクラック６０ａが発生する。これは主として繊維と
樹脂の界面の剥離破壊によるものである（チョツプドス
トランド内クラック）。更に外力が増加すると、第３図
に示すようにクラック６０ａは、一つのチョツプドスト
ランド６０と他のチョツプドストランド６０の間に進展
する（クラック６０ｂ）。これは、チョツプドストラン
ド６０の相互間のｔｌｉＩＩ方向が異なるため、チョツ
プドストランド６０間に大きな剪断力が作用し、その領
域にチョツプドストランド６０内のクラック６０ａが進
展したことによると考えられている。つまりＳＭＣ成形
品の破壊は、まず、チョツプドストランド６０内で界面
破壊が発生し、それが起点となってチョツプドストラン
ド６０の相互の境界領域にクラックが進展し、最終的に
は破断が発生する。ここで、使用した繊維を分析してみ
たところ、繊維自体の破壊はほとんど発生していないこ
とを見い出した。

このように成形品の破壊は一方向繊維強化複合材料と異
なり、強化繊維−本一本の破断に基づくものではなく、
チョツプドストランドの集合体における繊維と樹脂、あ
るいはチョツプドストランド間の境界領域の破壊である
と考えられる。この破壊プロセスから、成形品の強度向
上を考えた場合、繊維自体の強度を向上させることは有
効でなく、むしろ、本発明のようにチョツプドストラン
の集束本数を減じ、ストランドの本数を相対的に増すこ
とによってストランド間の絡みを倍加して緻Δ化するこ
とによってクラックの発生・進展を抑止して、その結果
として強度を向上させることが有効であることが知見さ
れた。

［発明の効果］ 本発明の！＆Ｉ帷強化樹脂組成物は従来のＳＭＣ。

ＢＭＧに比較して、集束本数の非常に少ないストランド
が使用されている。従って、例えば、従来の１２０００
本集束０ストランドを用いたＳＭＣあるいはＢＭＣと、
本発明における１０００本集束０ストランドを用いた繊
維強化樹脂組成物とを比較すると、樹脂成分に対して同
じ重量だけストランドを使用した場合、従来の５ＩｖＩ
Ｃ，ＢＭＣの１本のストランドが１２本に分れて分散し
ていることになる。かつその−本一本のストランドは非
常に細い。この様に、本発明の繊維強化樹脂組成物は細
いストランドが微細に分散してストランド相互間の絡み
を倍加して緻密化した構造となっている。そのためこの
繊維強化樹脂組成物で製造した成形品に外力が作用する
と、従来のＳＭＣ，ＳＭＣ成形品の様な応力集中がなく
なり、ストランド内クラックが発生しにくくなる。また
、ストランドが微細に分散されているために、ストラン
ドとストランドとの間の剪断応力も平均化され剪断応力
の集中もなくなりストランド間クラックの発生が抑制さ
れる。仮にストランド間クラックが発生してもストラン
ドの本数が非常に多くなっていることと、また微細に分
散しているために容易にはクラックが進展しにくくなっ
ている。この様にストランドを微細に分散させることに
よって従来のＳＭＣやＳＭＣ成形品で発生したストラン
ド内クラック及びストランド間クラックの発生及び進展
が抑制され、その結果、ＳＭＣやＳＭＣ成形品の弾性強
度向上、および疲労耐久性の向上が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、繊維強化樹脂組成物の製造方向の概略構成を
示す概略図である。第２図はＳＭＣ成形品におけるスト
ランド内部のクラックの発生状態を説明覆る説明図であ
る。第３図は而じく、ＳＭＣ成形品のストランド間のク
ラック発生状況を示す概略図である。 ６・・・チョッパトストランド 特許出願人　　株式会社豊田中央研究所同　　　　トヨ
タ自動車株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）樹脂成分と該樹脂成分中に分散したチョップドス
   トランドとからなる繊維強化樹脂組成物において、 前記チョップドストランドは、長さが少なくとも１／２
   インチで繊維集束数が１０００本以下の炭素繊維チョッ
   プドストランドであることを特徴とする繊維強化樹脂組
   成物。
2. （２）樹脂成分は、不飽和ポリエステル、エポキシ、ビ
   ニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂である特許請求の範
   囲第１項記載の繊維強化樹脂組成物。
3. （３）炭素繊維チョップドストランドの配合割合は、樹
   脂組成物全体を１００体積％としたとき３０体積％以上
   である特許請求の範囲第１項記載の繊維強化樹脂組成物
   。