JPH02286311A - 樹脂系繊維強化複合材料の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、比強度、比弾性率が大であることを要求され
る用途に好適な樹脂系繊維強化複合材料の製造方法に関
する。更に詳しくは、大きな比曲げ強度及び比曲げ弾性
率が要求される用途に好適な樹脂系繊維強化複合材料の
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

いわゆる先進複合材料の分野では、強度、弾性率、及び
これらを比重で除した比強度、比弾性率の大きな材料が
望まれている。特に近年では、航空・宇宙産業の発達は
顕著であり、また電気・電子産業、自動車産業等におい
ても、軽量かつ高温での使用に耐える材料の必要性が増
している。繊維強化複合材料はこうした要請に応えるた
めの有用な材料であり、なかでも、樹脂系の繊維強化複
合材料、いわゆる繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰ
という）はその軽量性を生かして比剛性に優れた材料と
して有用とされている。

一般にＦＲＰの成形には種々の方法が採られており、用
いる強化繊維の長さも様々で、それぞれ用途に応じた成
形が行われている。長繊維を用いたＦＲＰを製造する方
法としても、ハンドレイアップ、フィラメントワインデ
ィング、プリプレグクロス等の方法があるが、いずれの
方法も強化用繊維にマトリックス樹脂を含浸させて成形
することが必須の条件となっており、要求される特性や
生産個数等によって好適な生産方法が選択されている。

こうして生産されるＦＲＰの強度、弾性率、衝撃強度と
いった力学的特性は、多分にその強化の目的で用いられ
る繊維の長さや充填率によって左右されることになり、
−船釣には、充填率を上げれば力学的特性もそれにつれ
て向上させることができる。前述のような各種の成形方
法は、長繊維の高充填化も可能で力学的特性の点では比
較的に優れたものを得ることができるが、総じて成形時
間が長く生産性の点で難点があるといえる。

一方、レジンインジェクション成形法は、雄型と雌型に
よって形成されるキャビティー空間に、樹脂を含浸して
いないシート状補強繊維基材を積層、充填した後、その
キャビティー空間に樹脂を圧入して基材に含浸し、樹脂
を硬化せしめる成形法であり、その簡便性等から見ると
繊維強化複合材料の成形方法としては生産性に優れた方
法であるといえる。しかし乍ら、この方法では樹脂の良
好な含浸を行うためには、むやみに繊維の充填率を高め
ることができないという欠点がある。

また、通常の繊維強化複合材料に使用される強化用繊維
は、マトリックス樹脂に比べてその比重が大きいもので
あるため、むやみに繊維の充填率を高（することは複合
化後の成形品の比重を大きくすることにつながり、ＦＲ
Ｐの特徴の一つである軽量性を損なうことにもなりかね
ない。

〔発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、従来の樹脂系繊維強化複合材料の製造
における上記問題点を解決し、強化用繊維による補強が
効果的に行われる樹脂系繊維強化複合材料の製造方法を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、かかる実情に鑑み鋭意研究を重ねた結果
、前記目的を達成する本発明を完成した。

即ち、本発明は、マトリックス樹脂（Ａ）及び長繊維か
らなる強化用繊維（Ｂ）を必須とする樹脂系繊維強化複
合材料を製造するに際し、材料の肉厚の１／３に相当す
る厚みを有する両表面層中に含まれる強化用繊維（Ｂ）
の体積含有率ａと材料全・体に含まれる強化用繊維（Ｂ
）の体積含有率すとがａ　／　ｂ≧１．０５を満足する
ように強化用繊維（Ｂ）を予め成形用金型内にプリセッ
トしてレジンインジェクション成形することを特徴とす
る樹脂系繊維強化複合材料の製造方法を内容とするもの
である。

本発明に用いられるマトリックス樹脂（Ａ）としては、
熱硬化性樹脂、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混合し
た樹脂が挙げられる０本発明に用いられる熱硬化性樹脂
は、熱、光、電子線などの外部からのエネルギーにより
硬化して、少なくとも部分的に三次元硬化物を形成する
樹脂であれば特に限定されない。

好ましい熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、マレイ
ミド樹脂、ポリイミド樹脂の他、ビニル末端、アセチレ
ン末端、アリル末端、ナジック酸末端あるいはシアン酸
エステル末端を有する樹脂が挙げられる。これらは、−
ａにこれら樹脂自身を混合して用いることもできるし、
適宜、硬化剤や硬化触媒と組み合わせて用いることもで
きる。

本発明に用いるマトリックス樹脂（Ａ）として、上記の
熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を混合して用いることも好
適である０本発明に好適な熱可塑性樹脂としては、ポリ
アクリレート、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボ
ネート、ボリアリレート、ポリフェニレンスルフィド、
ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
ベンズイミダゾールのようなエンジニアリングプラステ
ィックが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、ポリマ
ーを用いても、やや分子量の低いオリゴマーを用いても
よく、熱硬化性樹脂と反応し得る官能基を末端または分
子鎖中に有するオリゴマーも好ましい。

熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合物は、熱硬化性樹脂
を単独で用いた場合より良好な結果を与えることもある
。これは、熱硬化性樹脂が一般に脆い欠点を有しながら
低圧成形が可能であるのに対して、熱可塑性樹脂が一般
には強靭である利点を持ちながら低圧成形が困難である
という特性を持つため、これらを混合して用いることに
より物性と成形性のバランスをとることができるためで
ある。

本発明に用いられる強化用繊維（Ｂ）としては、一般に
先進複合材料とじて用いられる耐熱性及び引張強度の良
好な繊維が挙げられる６例えば炭素繊維、黒鉛繊維、有
機繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、タ
ングステンカーバイド繊維、ガラス繊維が挙げられる。

このような強化用繊維は、ただ一種類のものを使用して
もよいし、異なる種類のものを２種以上組み合わせて使
用してもよい。得られる複合材料の特性は、強化用繊維
の材質、形状により異なるが、強化用繊維の材質いかん
にかかわらず、繊維の長さが長（なるにつれて同量の繊
維による強化効果は高まるため、高い強化効果を得るた
めには連続繊維を主体とした使用が好ましい。

本発明において、上記の如き連続繊維を使用する際には
繊維の配列方向が重要となる。一般に、繊維による強化
の効果は、繊維軸方向について最大の効果を得ることが
できるもので、その直角方向についてはあまり大きな効
果は期待できないのであるが、ある単一の方向について
のみの補強を望む場合は、実質的に屈曲ををしないまっ
すぐな繊維を互いに平行か・つシート状に引き揃えるこ
とが最も効果的な方法である。また、このようなシート
状の繊維は角度をずらして積層することにより、複数の
方向についての補強を行うこともできる。一方、特に定
まった方向についての補強を望まず、全ての方向にほぼ
均等な補強を施したい場合には、実質的に連続な繊維を
スワールマット状にして用いることが好ましい。

本発明においては、上述のような構成要素を用いて樹脂
系繊維強化複合材料を製造するためにレジンインジエク
シジン成形法を用いるが、その際に材料の力学的特性、
特に曲げ特性を向上させるため、材料の表面近傍と中心
近傍とで異なった補強方法、すなわち表面近傍層の剛性
を中心近傍層の剛性よりも高める補強方法を保用する。

材料に対して曲げ応力が加えられた場合、その剛性は中
心層の剛性よりも表面層の剛性がより支配的に関係する
０本発明によれば、材料の肉厚の１／３に相当する厚み
を有する両表面層中に含まれる繊維含有率を他の部分（
残り中心層の１／３の部分）よりも高めることになるが
、それによって表面層の剛性を確保し、かつ材料全体と
してみれば繊維の含有率をより低く抑えることができる
ため、材料の比重を軽減することができる。

本発明において、各々が材料の肉厚のｉ／３に相当する
）マみを有する両表面層中に含まれる強化用繊維の体積
含有率ａと材料全体に含まれる強化用繊維の体積含有率
すとの関係を示せば、ａ　／　ｂ≧１，０５である。更
に好ましくはａ　／　ｂの比は１゜０５から１．５の範
囲である。ａがこれよりも相対的に小さくなると、材料
の比重軽減効果が実質的に無意味なものになってしまう
ためである。また、このような目的を十分に果たすため
には、より表面に近い部分の繊維含有率をより高めるこ
とが好ましく、繊維含有率の高い層を肉厚の１／３より
も中心に近い部分に配置してもその効果は得られにくい
、成形体が三角形、四角形、その信条角形あるいは円形
等の中空棒状体等の場合は、外側１／３の厚み層の体積
含有率ａと材料全体に含まれる体積含有率すとの間にａ
　／　ｂ≧１．０５の関係があればよく、内側表面層１
／３厚みの体積含有率ａは特に問題にならない。

本発明において、表面層中に含まれる繊維の体積含有率
を材料全体に含まれる繊維の体積含有率よりも高める方
法には特に制限はないが、繊維は互いに平行に引き揃え
ることによってより密に充填することができるため、表
面層に存在する強化用繊維を前述のように実質的に屈曲
を有しないまっすぐな繊維を互いに平行かつシート状に
引き揃えた状態にすることは有効な手段となる。

一方、実質的に連続な繊維をスワールマット状にして中
心層近傍に配置することは、材料の補強が一定の方向だ
けに偏ったものにならないようにする、マトリックス樹
脂の含浸を良くする、等の効果があり、このような方法
を採るのもまた有効な手段となる。

本発明における強化用繊維の使用量には特に制限はない
が、本発明の効果を十分に利用するためには、材料全体
に含まれる強化用繊維の体積含有率が１０〜７０％であ
るのが好ましく、特に好ましくは２０〜６０％である。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例、比較例を挙げて更に具体的に説
明するが、本発明はこれらにより回答制限を受けるもの
ではない。

用いたマトリックス樹脂（Ａ）及び強化用繊維（Ｂ）は
下記の通りである。

マトリックス樹脂（Ａ）： Ａ−１：ビスフェノールＡジグリシジルエーテル型エポ
キシ樹脂・・・油化シェルエポキシ■製「エピコート８
２８」　（以下、Ｅ８２８と略記）。

Ａ−２＝エチレングリコールジメタクリレート・・・（
以下、ＥＣ；ＤＭＡと略記）。

Ａ−３：無水メチルナジック酸・・・日立化成■製「無
水メチルハイミック酸」　（以下、ＭＮＡと略記）。

Ａ−４：ペンジルメチルイミダゾール・・・油化シェル
エポキシ鱒製ｒＢＭＩ−１２Ｊ　　（以下、ＢＭＩと略
記）。

Ａ−５：ｔ−プチルパーオキシベンソ゛エート・・・日
本油脂■製「パーブチルＺＪ　　（以下、ｔ−ＢＰＢと
略記）。

強化用繊維（Ｂ）： ・ロービングマットＡ・・・日東紡■製「ラミマット」
のロービングマット層部を部分使用。

目付量６００　ｇ　／　ｎｆ ・スワールマット・・・旭ファイバーグラス■製「コン
ティニュアスストランドマット」。

目付量６００　ｇ／ポ 実施例１．２及び比較例１．２ 表１に示すような各成分比率からなるマトリックス樹脂
（Ａ）と、表２に示すような強化用繊維（Ｂ）を積層し
た強化材とを組み合わせて下記の方法により樹脂系繊維
強化複合材料を作製した。

即ち、２系統の注入ラインをもつ反応射出成形機を用い
、金型中に上記強化材をあらかじめプリセットした上で
、上記マトリックス樹脂を２〜３秒間で注入し、１３０
″Ｃで２０分間硬化させて、２７０Ｘ２２０Ｘ３ａｍの
平板状の繊維強化複合材料を作製し光、その際、一方の
注入ラインからは成分（Ａ−１）及び（Ａ−２）の混合
物を、もう一方の注入ラインからは成分（Ａ−３）、（
Ａ４）及び（Ａ−５）の混合物を注入し、それぞれの樹
脂原料は注入前に減圧脱泡を行った。金型内の圧力は、
樹脂原料注入前は真空ポンプにより減圧状態を保ち、注
入後に２ｋｇ／ｃｍに窒素ガスによって昇圧した。

尚、上記実施例及び比較例における各材料のａ及びｂの
数値は以下のようにして算出した。

（実施例） ｌ）材料の断面観察により、ロービングマット含有層の
厚みｄｒ（ｃｍ）及びスワールマット含有層の厚みｄｓ
（ｃｍ）を測定する。

２）ロービングマット含有層の繊維体積含有率Ｖ「及び
スワールマット含有層の繊維体積含有率ＶＳを次式によ
り算出する。

Ｖｒ−（ロービングマット含有層中の繊維目付量（ｇ／
ｃｄ）／繊維の密度（ｇ／ｃｄ）　ｌ　／ｄｒＶｓ＝（
スワールマット含有層中の繊維目付量Ｃｇ／ｃｄ）　／
ｌｔａ維の密度（ｇ／ｃｄ）　ｌ　、／ｄｓ３）ａ及び
ｂを次式により算出する。

ｂ−（材料全体中の繊維目付量（ｇ／ｃｄ）　／繊維の
密度（ｇ／ｃｄ）　）　／ｄ 材料の肉厚） （比較例） ａ＝ｂ＝ （材料全体中の繊維目付量（ｇ／ｅ＋４）　／繊維の密
度（ｇ／ｃｄ））／ｄ 表１゜ マトリンクス樹脂の組成 を表す。

■舖はスワールマットである。

実施例１．２及び比較例１．２において作製した繊維強
化複合材料の特性試験を行った。その結果を表３に示す
。

表２゜ 強化材の積層構成 ■ＲＸ、　ＲＹはいずれもロービングマットであり、そ
れぞれ配向方向が９０°ずれていること〔発明の効果〕 上記の通り、本発明の樹脂系繊維強化複合材料の製造方
法によれば、優れた力学的特性と軽量性とを兼ね備えた
樹脂系繊維強化複合材料を容易に製造することができる
。また、これにより製造される樹脂系繊維強化複合材料
は、用いる強化材を適宜選択することによって様々なレ
ヘルの特性設定が可能であり、先進複合材料の分野での
幅広い応用が期待できる。

特許出願人　鐘淵化学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス樹脂（Ａ）及び長繊維からなる強化用
   繊維（Ｂ）を必須とする樹脂系繊維強化複合材料を製造
   するに際し、材料の肉厚の１／３に相当する厚みを有す
   る両表面層中に含まれる強化用繊維（Ｂ）の体積含有率
   ａと材料全体に含まれる強化用繊維（Ｂ）の体積含有率
   ｂとがａ／ｂ≧１．０５を満足するように強化用繊維（
   Ｂ）を予め成形用金型内にプリセットしてレジンインジ
   ェクション成形することを特徴とする樹脂系繊維強化複
   合材料の製造方法。 ２、実質的に屈曲を有しないまっすぐな繊維を互いに平
   行且つシート状に引き揃えてなる強化材を、材料の肉厚
   の１／３に相当する厚みを有する両表面層中に存在する
   ように成形用金型内にプリセットする請求項１記載の製
   造方法。 ３、実質的に連続な繊維をスワールマット状にしてなる
   強化材を、材料の肉厚の１／３に相当する中心層中に存
   在するように成形用金型内にプリセットする請求項１又
   は２記載の製造方法。