JPH0424457B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、補強用シート材料に関し、更に詳し
くは、繊維強化プラスチツクス（以下単に
「FRP」と言う）や、繊維強化コンクリート（以
下単に「FRC」と言う）に利用され、方向性の
極めて少ない高強度の繊維強化材料が得られる非
ガラス系の補強用シート材料に関する。 ［従来の技術］ 合成樹脂やコンクリート等のマトリツクスをガ
ラス繊維や炭素繊維等の繊維材料で補強すること
により、高性能、高機能の複合材料を得ることが
種々開発され、これらは、軽合金等の金属材料あ
るいは、コンクリート等の建築構造材料に代る、
より軽量、且つ、より高強度、高弾性の高機能材
料として、近年、その重要性がますます高まつて
いる。 従来、これらの補強用繊維材料としては、ガラ
ス、炭素、ボロン等の無機繊維が主流であつた
が、近年新しい技術開発により、アラミド、直鎖
ポリエチレン、あるいは、ポリビニルアルコール
等の有機繊維の利用も種々検討されている。ま
た、これらの繊維材料の形態としては、連続長繊
維からなる糸状体、連続あるいは切断された繊維
からなるシート状体、あるいは、繊維長が10mmの
短繊維や、粒状、フレーク状等の分散体等が知ら
れている。 これらのもののうち、本発明と共通するシート
状材料としては、各種原材料からなる織物や、短
繊維を湿式抄造することで得られるシート、ある
いは切断されたガラス繊維を集積固着したチヨツ
プドストランドマツトが知られている。 ［発明が解決しようとする問題点］ 補強用シート材料のうち前記の織物は、高強度
の製品が得られる優れたものであるが、加工コス
トが高く経済性に劣り、又、樹脂やコンクリート
等のマトリツクスの含有率の変化や含浸性に劣る
という欠点があり、又、縦、横方向と斜め方向と
の機械的性質の差が大きく、均一性に劣る。湿式
抄造によるシートは、短繊維の繊維長が非常に短
いため、屈曲強度等の機械的性質に劣り、又、マ
トリツクスの含浸性にも劣り、気泡が発生し易
く、製品の品質管理上の問題があつた。 前記のガラス繊維からなるチヨツプドストラン
ドマツトは、織物のような方向性がなく、又、マ
トリツクスの含有率の変化や含浸性にも優れ、且
つ、低コストのため、織物に比べて若干製品強度
が低い点を除いて補強用シート材料として好適な
ものと考えられる。 しかしながら、ガラス繊維以外の繊維を用いた
もので前記チヨツプドストランドマツトに匹敵す
るものは見当らない。その理由としては、非ガラ
ス系の例えば炭素繊維は、収束されたトウを切断
することが困難で粉塵が生じ易かつたり、あるい
は、切断できたとしてもシート化が困難であつた
りし、又、他の無機繊維の場合は50mm程度の長さ
の繊維を得ることが困難であるためと考えられ、
一方、有機繊維の場合には、繊維を収束状態で残
存させたまま、シート化することが困難と考えら
れていたためと推定される。 このため、本発明は、非ガラス系の繊維長が25
乃至150mmの繊維を利用して、従来において得る
ことができなかつたガラス繊維製チヨツプドスト
ランドマツトに匹敵、あるいは更にそれを上回る
強度を有し、且つ、ガラス繊維によつては得られ
ない耐アルカリ性や、軽量性等の諸性質を製品に
付与することができる補強用シート材料を得るこ
とを目的とする。 ［問題点を解決するための手段］ 繊維長が25乃至150mmの捲縮のない開繊された
ステープル繊維群と、複数本の繊維が収束状態で
存在する捲縮のない未開繊ステープル繊維群とが
20：70〜80：10の組成比で混在し、各繊維間が捲
縮を有する接着性繊維により結合されており、か
つ全繊維の少なくとも30重量％が捲縮のない繊維
であつて、捲縮を有する接着性繊維が全構成繊維
の２乃至50重量％であることを特徴とする非ガラ
ス系の補強用シート材料に関する。 ［作用］ 本発明は、繊維長が25乃至150mmの非ガラス系
のステープル繊維を利用する。これらの繊維とし
ては、炭素繊維や金属繊維等の無機繊維、あるい
は、アラミド繊維、ポリビニルアルコール繊維、
直鎖ポリエチレン繊維等の合成繊維等、マトリツ
クスを補強する性質のあるものならば何でも良い
が、特にFRP用としては、炭素繊維又はアラミ
ド繊維が好適であり、FRC用としては、ビニロ
ン繊維が好適と考えられる。 これらの繊維材料は、マトリツクスを補強し、
曲げ強度等の機械的性質を高め、高強度、高弾性
を製品に付与する作用を有する。 次に本発明の要旨である、複数本の繊維が収束
状態で存在することの必要性及びこれらの構造を
得るための手段について説明すると、捲縮加工さ
れた繊維を用いて通常のカーデイング法等の開繊
手段により不織布を形成した場合、各単繊維は収
束することなく実質的に全ての繊維が開繊され、
均質な不織布となる。一般的に、本発明の目的と
異なり、シートをマトリツクスと複合体としない
場合には、全ての繊維が極めて均等に分散される
ため、不織布は方向性がなく全体が均一強度のも
のとなり好ましく、収束した繊維の残存は、強度
が不均一となるので好ましくない。しかし、本発
明者等は、本発明の目的のようにマトリツクスと
複合体を形成する場合には、収束繊維の残存は、
シート密度を高め、マトリツクス中の繊維の充填
量を増やし、且つ、収束繊維の剛直性等により、
高強度、高弾性を製品に与えるための必須の要件
であることを見出し、従来は好ましくないとされ
ていた収束状態の未開繊繊維群を積極的に残存せ
しめて、高性能の製品が得られる補強用シート材
料を完成したものである。 次に、これらの収束する未開繊繊維群をシート
中に残存させる手段についていくつかの例を示す
と、全構成繊維中の少なくとも30重量％以上の捲
縮のないステープル繊維を用いて、積極的に開繊
不良を生じせしめて、周知のカード法やランダム
法でシート形成する方法、あるいは、開繊機のク
リアランスを大きくとる等して、未開繊状態を故
意に生じせしめる方法等が考えられるが、既存の
設備をそのまま利用して均一な分散状態で方向性
の無いシートを安定して生産することのできるこ
とから、捲縮の無い繊維を利用することが最も有
利である。しかも、捲縮の無い繊維を利用してシ
ートを形成した場合、未開繊繊維群がシート全体
に均一に分散され、且つ多方向に配列するので、
極めて高強度高弾性で方向性の無い優秀な補強用
シート材料を得ることができる。 これらの捲縮の無い繊維を利用する場合、その
配合量は、製品の用途目的に応じて任意に設定で
きるが、少なくとも30重量％以上含むことが未開
繊繊維群の残存性が良好で且つ製品性能を高める
ことができるため望ましく、特に、FRP用とし
ては65乃至95重量％、FRC用としては40乃至80
重量％含むことが好適と考えられる。なお、開繊
されたステープル繊維群と未開繊ステープル繊維
群との組成比は20：70〜80：10の範囲にある必要
があり、未開繊ステープル繊維の量がこれより少
ないと、十分の曲げ強度や曲げ弾性率が得られ
ず、未開繊ステープル繊維の量がこれより多いと
ウエブ形成性が悪くなり、不均一なシート材料と
なつてしまう。開繊されたステープル繊維群と未
開繊ステープル繊維群とのとくに望ましい組成比
の範囲は40：50〜70：20である。 次に、シート形状を保つために配合される捲縮
を有する接着性繊維について説明すると、これも
又、本発明のシート材料が使用される用途や目的
に応じて適宜選択することが可能であり、溶剤や
加熱により可塑化あるいは溶融して接着性を発現
するものであれば何でも良い。これらの繊維材料
としては、ポリオレフイン系、ポリエステル系、
ポリアミド系、塩化ビニル系やあるいはこれらの
複合繊維等の熱可塑性繊維や、水溶性ポリビニル
アルコール繊維、ジメチルホルムアマイド可溶の
アラミド繊維等の溶剤可溶性繊維を利用すること
ができ、作業性等の観点から熱可塑性繊維であれ
ばポリオレフイン系複合繊維、又溶剤可溶性繊維
であればポリビニルアルコール繊維を利用するこ
とが有利である。 これらの接着性繊維は、シート形状を保持して
作業性を向上すると共に、開繊時の落綿を防ぐ作
用を有するものであるが、シートを単独で使用す
るものではないのでマトリツクス含浸工程までの
作業性が確保できる程度の形状保持作用があれば
十分であり、配合率が高い場合には、シートの形
状保持性は増すが製品の品質を低下せしめる場合
があるので、通常２乃至50重量％の範囲内で、必
要最小限の配合量であることが望ましい。 又、シート重量が200ｇ／m²を越えるような高
重量のシートの場合は、接着性繊維によりシート
を接着する以前、あるいは、接着性繊維が可塑化
している状態でニードルパンチ機等で20乃至200
本／cm²程度の軽い針刺し処理を行つておくと、層
間剥離の生じない、形状保持性に優れたシートが
得られ、且つ、接着性繊維の配合量を更に減らし
て製品性能を高めることが可能なため好適な手段
ということができる。 以下、本発明の補強用シート材料について、更
に具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に
限定されるものではない。 ［実施例］ 繊維長が51mmで、繊維径が7μｍの捲縮のない
炭素繊維90重量％と、捲縮加工されたポリオレフ
イン系複合繊維（２デニール、51mm長）とを混綿
し、カード法により開繊されたステープル繊維群
と複数本の繊維が収束状態で存在する未開繊繊維
群とが混在する450ｇ／m²のウエブを形成した。 このウエブに、ニードルパンチ機により約50
本／cm²の針刺し処理を行つた後、ヒユージングオ
ーブンで加熱して該複合繊維の低融点成分を溶融
し、次いで、常温乃至複合繊維の低融点成分の融
点以下の温度で圧着して各繊維間を接着せしめ
て、本発明による補強用シート材料を得た。 生産工程において、ウエブ形成性、針刺し性等
の作業性には全く問題がなく、落綿等の発生も実
質的に皆無であり、又、得られたシートは、全体
に収束した未開繊の炭素繊維が散在しており、極
めて均質なものであつた。 得られた450ｇ／m²のシートに、不飽和ポリエ
ステル樹脂〔大日本インキ(株)製、商品名ポリライ
トFH−123N〕をハンドレイアツプ法により約
2500ｇ／m²含浸し、これを同様に２層積層し、常
温で硬化せしめた後、60℃の温度で５時間アフタ
ーキユアーを行つて、重量が約6000ｇ／m²の本発
明による補強用シート材料を利用したFRPを作
成した。 このものについてJIS Ｋ−7203の硬質プラスチ
ツクの曲げ試験方法に準じて、曲げ強度及び曲げ
弾性率を測定し、その結果を第１表に示した。 又、これとの比較のために、本発明の補強用シ
ート材料の代りに450ｇ／m²のガラス繊維チヨツ
プドストランドマツトを用いて実施例と同一の樹
脂を用いて同一厚みになるようにFRPを作成し、
実施例と同じ試験を行つて、その結果も第１表に
示した。 第１表からも明らかなように、本発明の補強用
シート材料を用いたFRPは、従来のガラスチヨ
ツプドストランドマツトを利用したものに比べて
繊維含有率が半分以下で同一厚みの製品が得ら
れ、しかも、比較例のものよりも遥かに軽量で、
且つ強度、弾性率とも高く、機械的性質も、経済
性も従来のものよりも格段に優れたものであつ
た。

【表】 なお、未開繊ステープル繊維の配合量と、各々
の補強用シート材料を用いて得られた繊維強化プ
ラスチツクスの曲げ強度及び曲げ弾性率との関係
を以下に記載する。ここでのデータは、実施例を
基準にしており、実施例における炭素繊維の未開
繊ステープル繊維群の量をカーデイングの条件を
変更することによつて、10％、20％、30％、50
％、７％と変化させたものである。上記実施例の
未開繊ステープル繊維量は20％のものに該当す
る。

【表】 上記のように、未開繊ステープル繊維量の増加
に伴つて曲げ強度及び曲げ弾性率は増加していく
が、未開繊ステープル繊維群の割合が高くなるに
つれて、曲げ強度及び曲げ弾性率の増加率はにぶ
る。しかも、未開繊ステープル繊維量が増える
と、ウエブ形成性が悪くなり、接着性繊維も均一
に分散しにくくなるため、70％では実際の製造に
おいてはかなり困難となる。作製する繊維強化プ
ラスチツクスに要求される強度、及び補強用シー
ト材料の生産性を考慮すると、未開繊ステープル
繊維の量は10〜70％、好ましくは20〜50％の範囲
にあるのがよい。 ［効果］ 本発明の補強用シート材料は、従来はガラス繊
維によつてのみ得られた、高性能でしかも低価格
のチヨツプドストランドマツトを、他の繊維材料
によつても作成可能としたものである。 このため、例えば炭素繊維を主としたシート材
料の場合には、ガラス繊維以上に軽量でしかも高
強度高弾性のFRP製品が得られ、ガラス繊維に
よつては得ることのできない耐アルカリ性や電磁
波遮蔽性を具備した製品を従来よりも格段安価に
得られたり、あるいは、アラミド繊維やポリビニ
ルアルコール繊維等の合成繊維を利用して、作業
性が従来よりも格段に優れ、しかも同一重量にお
いて、ガラス繊維によるものよりも遥かに高性能
の製品が得られるものである。 従つて、本発明の補強用シート材料は、補強用
シート材料として本質的に必要とされる機能を全
て具備し、しかも、生産性、経済性、汎用性等に
優れた極めて有用性の高いものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 繊維長が25乃至150mmの捲縮のない開繊され
   たステープル繊維群と、複数本の繊維が収束状態
   で存在する捲縮のない未開繊ステープル繊維群と
   が20：70〜80：10の組成比で混在し、各繊維間が
   捲縮を有する接着性繊維により結合されており、
   かつ全繊維の少なくとも30重量％が捲縮のない繊
   維であつて、捲縮を有する接着性繊維が全構成繊
   維の２乃至50重量％であることを特徴とする非ガ
   ラス系の補強用シート材料。