JPH032225A - ハイブリッドプリプレグ - 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】 、、−の１　） 本発明は、ハイブリッドタイプの複合材ネ４に関するも
のであり、特に炭素繊維糸条と異種繊維糸条とにて形成
されるハイブリッドタイプの炭素繊維プリプレグ（本川
ｍ　Ｌａでは単に「ハイブリッドプリプレグ」という、
）に関するものである。

【末五１ｊ 近年、軽量であり、且つ耐熱性、耐水性などの耐環境性
に優れており、しかも機械的特性が良好であるという理
由から、炭素繊維を強化ｍ雑としたプリプレグが注目を
浴びている。

しかしながら、高弾性炭素ｍ雄、特にピッチ系高弾性炭
素繊維は、例えば引張強度が３　、０ＧＰａ以ヒ、引張
弾性率が４５０ＧＰａ以トと言った高引張強度、高引張
弾性率を有しているが、圧縮強度が低く、最高でもｌ　
、０ＧＰａ程度であるという問題を有している。

従って、高弾性炭素ｍ維を強化繊維として作製された炭
素繊維プリプレグは引張強度、引張弾性率の大きさに比
して圧縮強度が低く、圧縮強度の増大が希求されている
。

か　　　よう 従来、圧縮強度を増大せしめるべく炭素繊維と％軸繊繍
とを有したハイブリッドプリプレグが提案されており、
現在ハイブリッドプリプレグとしては、炭素繊維プリプ
レグと異種繊維のプリプレグとを積層して形成された層
間ハイブリッドと、１つの層内に炭素ｍ維の領域と異種
繊維の領域を隣接して配設して形成された層内ハイブリ
ッドとか考えられている。

前者の層間ハイブリッドは製造は容易であるが、圧縮強
度の増大が未だ上方とは言えない。

又、後者の層内ハイブリッドは、前記層間ハイブリッド
及び通常の炭素繊維プリプレグに比較すると圧縮強度が
相当に増大してはいるが、実際の繊維の強さには相当の
バラツキがあり１弱い繊維から順に切断するために、そ
の増大程度はハイブリッド複合則に従い、ハイブリッド
ルールを越えることはなく、未だに十分であるとは言え
なかった。

本発明者らは、従来のハイブリッドプリプレグに関して
、特に層内ハイブリッドプリプレグについて多くの研究
、実験の結果、炭素繊維の領域と′ＡＮ繊維の領域との
接触面積をできるだけ大きくすることにより、更に具体
的に言えば、１つの層内に炭Ｘ繊維の領域と異種繊維の
領域とを層状に形成し、内領域を層内で密Ｒ接合せしめ
ることにより圧縮強度が飛躍的に増大し、該圧縮強度を
ハイブリッド複会則で、ハイブリッドルールを越える程
度にまで増大せしめ得ることを見出した。

このような現象が発生する理由は明らかではないが、炭
素＃＃１維領域と異種繊維領域との接触面積が増大する
ことによって、ハイブリッド効果が予期した以上に向上
したものと思われる。

未発１町は断る新規な知見に基づきなされたちのである
。

従って、本発明の目的は、圧縮強度が増大したハイブリ
ッドプリプレグを提供することである。

だめの 上記［４的は本発明に係るハイブリッドプリプレグにて
達成される０本発明のハイブリッドプリプレグｌは、第
１因に図示されるように、１つの層内にて、炭素繊維糸
条２ａを含む炭素Ｍｌｌ維領域２と、１種以りの異種ｍ
維糸条４ａを含む異種ｍ維領域４とが層状に形成され、
前記繊維糸条間にマトリクス樹脂６が含浸されたことを
特徴とするハイブリッドプリプレグである。

炭素繊維糸条２ａとしては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ
系炭Ｘ＃ａ維、レーヨン系炭素繊維を使用することがで
きるが、好ましくは引張強度２゜０ＧＰａ以七、弾性率
２００ＧＰａ以上とされる高引張強度、高引張弾性率の
炭素繊維が使用される。又、炭素繊維糸条としては、一
般に、直径５〜１２．ｕｍ程度のフィラメントを１００
０〜２４０００本集東合糸することにより形成された炭
素繊維ストランド（トウ）が使用される。

異種繊維糸条４ａとしては、炭素ｍ＃ｌより大きな圧縮
強度を有する繊維なら任意のものを使用することができ
１例えば炭化けい素糸繊維：アルミナ繊維；チタン、鋼
、ステンレス鋼、ベリリウム、タングステン、モリブデ
ンなどの金属＃ａＭ；はう素繊維ニガラス繊維などが挙
げられる。好ましくは圧縮強度１．５ＧＰａ以Ｅとされ
る繊維が使用され、又、繊維糸条としては、一般に、直
径５〜ｌ　２　）ｔ　ｍ程度のフィラメントを１０００
〜２４０００本集東合糸することにより形成されたスト
ランドか使用される。

前記炭素繊維糸条及び異種繊維糸条から成る強化繊維に
含浸されるマトリクス８１脂６としては、エポキシ樹脂
、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリ
ルフタレート樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性マト
リクス樹脂が使用可能であり、更に硬化温度が５０〜１
５０”ｏとなるように硬化剤その他の付与剤１例えは可
積性付ＩＪ−剤などが＾当に添加される。

好ましい一例を挙げれば、マトリクス樹脂としてはエポ
キシ樹脂が好ましく、使用可能のエポキシ樹脂としては
、例えば、（１）グリシジルエーテル系エポキシ樹脂（
ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ系エポキシ樹脂、ノボラック
系エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ系エポキシ樹
脂）；　　（２）環式脂肪族エポキシ樹脂；　（３）グ
リシジルエステル系エポキシ樹脂；　（４）グリシジル
アミン系エポキシ樹脂；　（５）複素環式エポキシ樹脂
；その他種々のエポキシ樹脂から選択される１種又は複
数種が使用され、特に、ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓグリ
シジルアミン系エポキシ樹１旧が好適に使用される。又
、硬化剤としてはジアミノシフ７ニルスルフオン（ＤＤ
Ｓ）、ジアミノジフェニルメタン（ＤＤＭ）等が好適に
使用される。

強化ｍ雑に対し標準的なマトリクス樹脂の重着を強化繊
維１００に対し１００−１５０とすることにより製造す
るか、又はマトリクス樹脂を種々に混合し、その割合を
適当に調合することにより製造される。

又、このような本発明に係るハイブリッドプリプレグは
、限定されるものではないが、通常の炭素繊維プリプレ
グと同じようにドラムワイングー及びホットプレスを利
用することによって好適に製造することができる。

製造方法について筒中に説明すると、第２図に図示され
るように、先ず、粘度ｔｏｏｏｏｏ〜５ｏｏｏｏｏポア
ズとされる熱硬化性マトリクス樹脂６が塗１紙６ａに厚
さ０．０１５〜０．０５０ｍｍにてコートされた第１の
樹脂塗工紙１０をドラムＤ　１：に巻き付は固定する。

次いで、該樹脂塗土紙ｌＯの−Ｅに長繊維の炭素繊維領
域２ａを巻き付けて炭素ｍ＃Ｉ糸条Ｊ＋１ｔ２ｂを形成
し、引き続き該炭素ｍ雑糸条層２ｂの上に、１種以上の
異種繊維糸条４ａを巻き付けて異種繊維糸条層４ｂを形
成する。これによって、樹＠楡上紙ｌＯの上に炭素ｍ雑
糸条層２ｂと異種繊維糸条層４ｂとが平行に層状をなし
て配列される。

次に、萌記異種繊維糸条層４ｂを覆うようにして前記第
１の樹脂塗上紙ｌＯと同じく、粘度１０ｏｏｏｏ〜５０
００００ポアズとされる熱硬化性マトリクス樹脂６が塗
上紙６ａに厚さ０．０１５〜０．０５０ｍｍにてコート
された第２の樹脂塗り紙１０’が巻き付けられ、前プリ
プレグシート１２を形成する。

このようにして作製された前プリプレグシート１２は、
ドラムＤより剥離され、第３図に図示されるようなホッ
トプレス２０にもたらされる。

本実施例によると、ホットプレス２０は、基台プレート
２１と、該基台プレート２１に対面して配置され、上下
動可能のプレスプレート２２とを有する。基台プレート
２１及びプレスプレート２２は内部に電気ヒータの如き
加熱手段（図示せず）を備え、所望の温度に維持されて
いる。

前プリプレグシー）１２は、基台プレート２１Ｅに載置
され、プレスプレート２２にて押圧される。基台プレー
ト２１及びプレスプレート２２にて加圧加熱された前プ
リプレグシート１２は、繊維糸条２ａ、４ａ間にマトリ
クス樹脂６が含浸され、プリプレグを形成する。

次いで、基台プレート２１とプレスプレート２２とを離
間させ、該プリプレグを取り出し、所定温度まで冷却す
ることにより第１図に図示されるような本発明に係るハ
イブリッドプリプレグｌが製造される０通常、ハイブリ
ッドプリプレグｌは、厚さｔが０．０５〜０．３ｍｍと
され、炭素繊維領域２の厚さ１．は０．０２５〜０　、
２８ｍｍ、異種繊維領域８の厚さｔ２は０．０２５〜０
．１５ｍｍとされる。

本発明に従えば、使用される炭素繊維及び異種繊維の、
物性及び混合割合、更にはマトリクス樹脂に対する含浸
率を変えることにより、又使用されるマトリクス樹脂の
組成物配合割合を種々に変えることにより種々の圧縮強
度、引張強度、引張弾性率、更には惰性を提供するハイ
ブリッドプリプレグが作製される。

第４図及び第５図は、本発明に従った炭素繊維／炭化け
い素糸繊維によるハイブリッドプリプレグ、及び炭素繊
維／アルミナｍ誰によるハイブリッドプリプレグのハイ
ブリッド複合剤を表わすグラフである。

第４図を参照すると、炭素繊維の強度はラインＡＢで示
され、炭化けい素糸繊維の強度はラインＣＤで示される
。従って、複合地、即ちハイブリッドラインはラインＡ
ＥＤで表わされる。

従来の炭素繊維／炭化けい素糸繊維によるハイブリッド
プリプレグではハイブリッドライン以上の強度を達成す
ることは不可能であったが１本発明によれば、圧縮強度
はラインＡＥＤ−２’囲包された斜線部分に位置するま
で増大させることができた。

これは、第５図に図示される炭素繊維／アルミナ繊維に
よるハイブリッドプリプレグのハイブリッド複合剤にお
いても同様であった。

この理由は、上述したように、必ずしも明らかではない
が、炭素ｍ維と異種繊維との接触面積が増大することに
よって、ハイブリッド効果が予期した以上に向上したも
のと思われる。

次に、本発明を実施例について説明する。

支ムｌ」 本発明に係るハイブリッドプリプレグｌをＬ２第２図及
び第３図に関連して説明したドラムワイングーとホット
プレスを用いて製造した。

炭素繊維糸条２ａとして直径１０　、ｕ　ｍのモノフィ
ラメント３０００本を集東合糸したストランド（トウ）
を使用し、異種繊維糸条４ａとしては、炭化けい素系繊
ＪＩＢ（日本カーボン株式会社製、商品名二二カロン、
ＮＬ２０１）を使用した。該炭化けい素糸繊維は直径１
５　）ｉ　ｍのモノフィラメント５００本を集東合糸し
たストランド（トウ）であった。

一方、ドラムワイングーに巻き付けられる樹脂塗上紙１
０上のマトリクス樹脂６は、油化シェルエポキシ株式会
社製のビスフェノールＡ系エボ午シ樹脂ＥＰ８２８　（
商品名）／ＥＰ１００Ｉ（商品名）を５０ｇｒ１５０ｇ
ｒ、ｆ＆化剤としてジシアンジアミド４　、２　ｇ　ｒ
、ＤＣＭＵ　（Ｎ　−３，４ジクロロフェニレンＮ′−
ジメチルウレア）４゜２ｇｒを含有したものであった。

ドラムワイングー上に固定された、マトリクス樹脂層の
厚さが０．０２５ｍｍとされる樹脂塗上紙１０上に、上
記炭素繊維糸条２ａを巻き付け、炭素繊維糸条層２ｂを
形成した８次いで、該炭素繊維糸条層２ｂの上に上記炭
化けい素糸繊維糸条４ａを巻き付け、炭化けい素糸繊維
糸条層４ｂを形成した。

次いで、前記樹脂塗上紙１０と同じ構成の樹脂塗−Ｌ紙
１０’を上記炭化けい素系ｍ雑糸条層４ｂを覆って巻き
付け、厚さ０．１５ｍｍの萌プリプレグシート１２を製
造した。

次いで、前プリプレグシート１２をドラムワイングーよ
り剥離し、ホットプレスに装着して加圧加熱した。この
ときのホットプレスの押圧力は２０　Ｋ　ｇ　／　ｃ　
ｒｎ’　、温度はｌ　Ｏ５−”Ｃであった。

このようにして製造された、第１図に図示する構成とさ
れるハイブリッドプリプレグｌは、厚さｔが０．１ｍｍ
、炭素繊維領域２の厚さｔ、は０．０６ｍｍ、異種ｍ線
領域４の厚さｔ２は０゜０４ｍｍであった。

又、マトリクス樹脂に対する強化繊維の量、つまり含浸
率は、炭素繊維領域？及び異種繊維領域４の゛内領域に
おいて樹脂／繊維体積比が４０／６０であった。

該ハイブリッドプリプレグｌを２０枚使用し。

２０層構成（７）１２．７（幅）Ｘｌ、８９（厚）Ｘ１
４０（長）ｍｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製した。

テストは、第６図に図示されるように、テスト片Ｔを両
端２箇所３０で支持し、中央部Ｚｆｌｂ所より負荷Ｐを
かけ、テスト片Ｔを屈曲させた。テスト片Ｔの引張側で
初期破断が起これば引張強度を、圧縮側で初期破断が起
これば圧縮強度を推定することができる。圧縮強度は、
テスト片の圧縮側にクラックが入り応力が低下する点の
曲げ強度によって評価した。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが、分断しなかった。

触火圧縮側破断荷重は４８Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は８５　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ’　テあり、歪は０．
６０であった。

第４図から、本発明のハイブリッドプリプレグは、ハイ
ブリッドルール（ラインＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を有
していることが分る。

Ｌｆ２０ 第７図に図示される如くに、炭素繊維領域２と異種繊維
領域４が交互に配列された構成のハイブリッドプリプレ
グ４０を実施例１と同じ材料を使用し、ドラムワイング
ーとホットプレスを用いて製造した。

つまり、ドラムワイングーにて、炭素繊維糸条２ａ及び
異種繊維糸条４ａを、第２図に図示されるように層状に
配列するのではなく、炭素ｍ錐先条２ａが３０００本か
ら成る炭素ｍ錐先条群と、炭化けい素糸繊維糸条４ａが
５００本から成る炭化けい素系＃ａ錐先条群とを交互に
且つ互いに隣接する態様で配列し、これら繊維糸条群を
両側より樹脂塗上紙にて挟持して、前プリプレグシート
を形成した。該前プリプレグシートは、次いでドラムワ
イングーより剥離し、ホットプレスに装着して加圧加熱
した。このときのホットプレスの押圧力は２０　Ｋ　ｇ
　／　ｃ　ｒｎ’、温度は１０５℃であった。

このようにして製造されたハイブリッドプリプレグ４０
は、厚さｔが０．１ｍｍ、炭素繊維領域２の輻Ｗｌは２
．８ｍｍ、異種繊維領域４の輻Ｗ２は１．９ｍｍであっ
たΦ 又、マトリクス樹脂に対する強化ｍ雑の量、つまり含浸
率は、炭素繊維領域２及び異種繊維領域４の内領域にお
いて樹脂／繊維体積比が４０／６０であった。

該ハイブリッドプリプレグ４０を２０枚使用し、２０層
構成の１２．７（輻）Ｘｌ、８９（厚）Ｘ　ｌ　４０　
（Ｍ）ｍｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製し、実施例
１と同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重４０Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は７０　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｒｎ’　テあり、歪は０．４２であった。

第４図から、本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリー２ドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ）
を有していることが分る。

を較ｌ」 強化繊維として直径１０．ｕｎのモノフィラメン）３０
００本を集束合糸した炭素繊維ストランド（トウ）のみ
を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維プリプ
レグを作製し、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重４６Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り１分断した。このときの曲げ強度は７４Ｋｇ／ｍｒｎ
’であり、歪は０．２１であった。

ル］し跣」 強化ｍ維として直径１５．ａｍのモノフィラメント５０
０本を集束合糸した炭化けい素系織雑（日本カーボン株
式会社製、商品名二二ヵロン、ＮＬ２０１）を使用した
以外は実施例１と同様にして炭化けい素繊維プリプレグ
を作製し、同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重９５Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが１分断しなかった。このときの曲げ強度は１８０
　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ’　テあり、歪は１．９０であ
った。

土オし鮭Ａ 比較例２，３で使用した炭素繊維プリプレグ及び炭化け
い素繊維プリプレグをａ層してハイブリッドプリプレグ
を作製した。

該ハイブリッドプリプレグを１０枚使用し、２０層構成
の１２．７（幅）Ｘｌ、８９（厚）Ｘ１４０（＆）ｍｍ
の曲げテスト用テスト片Ｔを作製し、実施例１と同様に
してテストを行なった。

テストの結果、荷１２８Ｋｇにて圧縮側にクラックが入
り、分断した。このときの曲げ強度は５０　Ｋ　ｇ　／
　ｍ　ｍ’であり、歪は０．２６であった。

第４図から、本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ′）
を有していることが分る。

支ム遣」 異種繊維糸条として、直径１５ＪＪｍのモノフィラメン
ト１０００本を集束合糸したアルミナｍ雑（住友化学株
式会社製、商品名：５Ｎ−１０）を使用した以外は実施
例１と同様にしてハイブリッドプリプレグを作製し、同
様にしてテストを行なった。

テストの結果、初期破壊は圧縮側に起こり、最終破断は
引張側で起こったが１分断しなかった。

最大圧縮側破断荷重は４５Ｋｇであり、このときの曲げ
強度は８０　Ｋ　ｇ／ｍｒｎ’であり、歪は０．５５で
あった。

第５図から、本発明のハイブリッドブリプレグは　ハイ
ブリッドルール（ラインＥＤ）以上の強度（点Ｘ）を有
していることが分る。

匿較遺」 異種繊維糸条４ａとして実施例２のアルミナ繊維を使用
した以外は比較例１と同様にしてハイブリッドプリプレ
グを作製し、実施例１と同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷ｆｉ３２Ｋｇにて圧縮側にクラックが
入り、分断した。このときの曲げ強度は６０　Ｋ　ｇ　
／　ｍ　ｒｎ’であり、歪は０．３６であった。

第５図から、本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ）を
有していることが分る。

を較遺」 強化繊維として実施例２のアルミナ繊維のみを使用した
以外は実施例１と同様にしてアルミナ繊維プリプレグを
作製し、実施例１と同様にしてテストを行なった。

テストの結果、荷重７８Ｋｇにて引張側にクラックが入
ったが１分断しなかった。このときの曲げ強度は１５４
　Ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｎ’　テあり、歪は１．３３であ
った。

ルｍ 比較例２．６で使用した炭素ｍ維プリプレグ及びアルミ
ナ＃ａ＃１プリプレグを錆層してｌ＼イブリッドプリプ
レグを作製した。

該ハイブリッドプリプレグを１０枚使用し、２０層構成
の１２．７　（輻）Ｘｌ、８９（厚）ｘｔ４０（長）ｍ
ｍの曲げテスト用テスト片Ｔを作製し、実施例１と同様
にしてテストを行なった。

テストの結果、荷ｉ　２４　Ｋ　ｇにて圧縮側にクラッ
クが入り１分断した。このときの曲げ強度は４５　Ｋ　
ｇ　／　ｍ　ｒｎ’であり、歪は０．２５であった。

第５図から、本比較例のハイブリッドプリプレグは、ハ
イブリッドルール（ラインＥＤ）以下の強度（点Ｙ’）
を有していることが分る。

魚見立亘」 以上の如くに構成される本発明に係るハイブリッドプリ
プレグは、圧縮強度が増大するという特長を有する。

４ａ：異種繊維糸条 ６：マトリクス樹脂

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るハイブリッドプリプレグの断面
模式図である。 第２図及び第３図は１本発明に係るハイブリッドプリプ
レグの一つの製造法を説明する図である。 第４図及び第５図は、本発明に係るハイブリー７ドプ゛
リプレグのハイブリッド複合則を説明するグラフである
。 第６図は、テスト方法を説明する説明図である。 第７図は、従来のハイブリッドプリプレグの断面模式図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）１つの層内に炭素繊維糸条を含む炭素繊維領域と、
   １種以上の異種繊維糸条を含む異種繊維領域とを層状に
   形成し、前記繊維糸条間にマトリクス樹脂が含浸された
   ことを特徴とするハイブリッドプリプレグ。