JPS595406B2 - 引揃えプリプレグ及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化プラスチックの成形材料として用いら
れる引揃えプリプレグに関するものである。

繊維強化プラスチック用のプレプレグは不織布状、ヤー
ン状、クロス状又はチョップストランド状の繊維、或は
一方向に引揃えた繊維、又はこれらを組み合わせたもの
に熱硬化性樹脂を含浸したもので、得られたプリプレグ
はこの製造に用いられた繊維によつてそれぞれの特徴が
生じ、その特徴に応じて各種の用途に向けられている。

これらのプリプレグのうち、一方向に引揃えた繊維を用
いて得たプリプレグは容易に薄いシート状、テープ状の
ものが得られるため長尺の管状体、積層板等の成形材料
として好適で、例えばゴルフのクラブシヤフト、スキー
のボデイ等のレジヤースポーツ用品や自動車、航空機材
などの高強度複合材料に用いられている。

従来、この種のプリプレグは一方向に引揃えたマルチフ
イラメントの繊維の束に樹脂を含浸し、その繊維の束の
複数個を同方向にそれぞれの束が互いに隣接するように
並べてこれら繊維の束と束とをこれら束に含浸させた樹
脂によつて接合してシート状又はテープ状の形状に成形
することにより得られている。

この従来方法により得られる一方向引揃えプリプレグは
未硬化の樹脂の結合力だけで一方向に並行するマルチフ
イラメントの繊維の束と束とが接合されているので、こ
のプリプレグは機械的ストレス、熱変化に対する抵抗力
が小さく、これら諸条件が加わることによつて繊維の束
と束との結合力が弱まる。

その結果従来のプリプレグは長期間の保存、使用のさい
の温度変化によつてプリプレグの繊維の束と束との間に
隙間を生じ、ときには層状的に離間するにいたり、また
運搬したり、このプリプレグを用いて成形品を製作する
さいにも機械的ストレス熱変化によつて繊維の束と束と
の結合力が弱まり隙間や離間が生じ易すくプリプレグと
して品質、又は成形品としての品質が低下する欠点を有
している。さらに一方向引揃えプリプレグを成形し、か
つその成形品の樹脂を硬化させて得られる繊維強化プラ
スチツク製品の引揃え方向とその直角方向の強度は硬化
樹脂自体の強度及び硬化樹脂と繊維との接着力によつて
決定されるが、従来法による一方向引揃えプリプレグは
前述したように硬化樹脂と繊維との接着力のみによつて
決まり比較的弱いので、このプリプレグを用いた繊維強
化プラスチツク製品の引揃え方向と直角方向の強ｔは高
い値を取ることが困難である。

とくに上記のように繊維の束と束との間に隙間が生じた
プリプレグを用いて得た製品の強度が低下し、かつ仕上
り（外観的）にも劣り、さらに製品の特性に大きなバラ
ツキが生ずるなどの問題点があつた。本発明の目的は機
械的ストレス及び又は熱変化によつて繊維と樹脂との結
合力が低下せず、マルチフイラメントの繊維の束と束と
の間に間隙が生じにくい引揃えプリプレグ及びその製造
法を提供するにある。

本発明の他の目的は取扱い、運搬、成形加工又は保管に
よつて品質低下しない引揃えプリプレグ及びその製造法
を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は繊維強化プラスチツク製品に
用いた場合、その製品の繊維引揃え方向と直角方向の強
度を増大し得、かつその他の諸特性をバラつかせない引
揃えプリプレグ及びその製造法を提供するにある。

本発明者は前記目的を達成するため種々研究した結果完
成したもので、その引揃えプリプレグの特徴は一方向に
並行するマルチフイラメントの繊維の束の複数個を互い
に隣接し、かつその繊維の束内及び束間でフイラメント
が他のフイラメントと繊維軸に直角な方向に交錯絡合し
、樹脂で含浸されてなるものである。

本発明に用いられるマルチフイラメントの束はフイラメ
ントが多数本集合してなる繊維の束であつて、連続した
長繊維の束からなるヤーン又はトウ等が好ましい。

この繊維には従来の引揃えプリプレグに用いられる繊維
が用いられ、これを示せば下記の通りである。

（１）有機繊維：ナイロン（ポリアミド系）、レーヨン
（セルローズ系）、ビニロン（ポリビニルアルコール系
）等（２）有機耐熱繊維：芳香族ポリマー、ポリベンズ
イミダゾール、ポリフルオロカーボン、ポリアミド、フ
エノール、ポリフエニレオキソジアゾール、ビスペンズ
イミダゾベンゾフエナンスロライン、ポリチアジアゾー
ル、ポリフエニレントリアゾール、ポリビチアゾール、
ポリイミド等の樹脂繊維（３）無機繊維：ガラス、窒化
ホウ素、アルミナ、窒化ケイ素、アスベスト、ジルコニ
ア、シリコンカーバイト、炭素（炭素質、黒鉛質、耐炎
質を含む）等の繊維、（４）金属繊維：タングステン合
金、ヘリウム、銅合金、鉄、アルミニウム等の繊維、（
５）複合繊維：ホウ素（芯線−タングステン）、炭化ホ
ウ素（芯線−タングステン）、シリコンカーバイド（芯
線−タングステン、ホウ素）等の繊維（６）（１）〜（
５）で示した繊維のうち二種以上組み合わせたもので、
特に可撓性、柔軟性に富むものが好ましい。

マルチフイラメントの繊維の束内及びその束とその束に
近接する束との間でフイラメントを他のフイラメントと
交錯させるには複数個の繊維の束を互いに隣接する束が
重なり合つて厚みが不均一にならないように密着させて
一定巾のシート又はテープ状とし、かつそれぞれの束が
処理中に弛んで配列が乱れないよう適度に張りながら（
例えば０．０２〜０．６５ｆ！／ｄの張力を繊維長方向
にかける。

）、これら配夕１ルた繊維の表面に高圧の流体を吹きつ
ける機械的な衝撃を与えることにより得られる。このさ
いに用いる高圧流体には、水、水と空気との混合物、有
機溶媒（例えばメチルアルコール、エチルアルコール、
アセトン、トルエン、メチルエチルケトン等）及び合成
樹脂等が用いられる。

合成樹脂を用いる場合には繊維に含浸させる合成樹脂と
同一であることが好ましく、また吹きつけるさい加温し
て粘度を下げたり、又は使用する合成樹脂にこれと相溶
性の有機溶媒を添加したり、さらにまた有機溶媒以外の
希釈剤（例えば塩化ビニル樹脂用可塑剤、高沸点溶剤、
ポリプロピレングリコール、スチレンモノマー、ポリエ
チレン）を用いて流体の粘度を下げて吹きつけることが
好ましい。流体に水、又は水と空気との混合物を用いる
場合には流体のコストが安く、流体の調整が全く必要と
せず、また作業環境がよく環境汚染することがなく、操
作や設備が簡単であるが一方有機溶媒や合成樹脂を用い
た場合には流体を吹きつけ後の乾燥工程が簡単であるか
又はこれを全く必要とせず、吹き付け工程に続いて連続
してマトリツクス用としての樹脂を含浸させることがで
きる。

特に合成樹脂を十分に吹き付けした場合には、繊維を改
めて樹脂に浸漬することなく、吹き付けて得られたもの
を単にローラー掛けを行う程度で繊維の束の内部に樹脂
を含浸させることができる。繊維束面に高圧流体を吹き
つけるには繊維引揃え方向に対して直角に繊維束面上適
当な間隔に設けたノズル孔から噴射する方法が採られる
。ノズル孔径の太さ及びその繊維までの間隔及びノズル
数はフイラメントの太さ及び繊維層の厚みなどによつて
異なるが、ノズル孔径は１ｍｍ以下、）特に０．５〜０
．０５ｍ１が好ましいが、これが余り太くなると多量の
フイラメントが同時に転位して絡むため、繊維の束が乱
れ易く、厚さも不均一となり引揃えの効果が失なわれる
。

ノズル孔と繊維束面との距離は高圧流体の圧力、繊維の
ノズル孔に対する相対移動速度、繊維フイラメントの太
さ及び束の厚さ等によつて定められるが１〜１５工程度
が目安となる。

高圧流体の圧力もまたノズル孔の太さ、ノズル孔と繊維
束面との距離、繊維のノズル孔に対する相対移動速度フ
イラメントの太さ及び繊維の束の厚みなどによつて限定
されるが５０〜４００ｋｇ／Ｃｄであることが好ましい
。

圧力が５０ｋ９／ｄ未満であるとフイラメントの転位が
少なくて繊維の束と束との係合が不十分であり、また４
００１＜９／ｄを超えるとフイラメントの破断が多くケ
バ立ちが激しくなる。高圧流体を繊維束面に吹きつける
さい、ノズルを固定して繊維の束を引揃え方向に移動さ
せるとともに、その直角方向にも移動させてもよく、ま
たこの逆にノズルを移動させて繊維束を固定してもよい
。

ノズル又は繊維束の移動速度は１〜１０ｍ／Ｍｍ程度が
適切である。繊維束を連続的に処理する場合、第２図に
示すように繊維束をエンドレスに緊張させながら巻取り
、そのさいに巻取り方向に対して直角の方向に往復運動
をさせながら繊維束面に圧力流体を噴射させることによ
り行なわれる。含浸に用いられる樹脂にはフエノール樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化
性樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂
、ポリフエニレン樹脂、フリーデルクラフト樹脂等の耐
熱性樹脂が用いられ、使用するに当つて粘度を低下させ
るため加温したり、またこれに有機溶媒及び又は希釈剤
を添加して用いられる。

さらに繊維の束面に高圧流体を吹きつけるさい、その高
圧流体が吹きつける繊維の束面の裏面に近接して、かつ
この繊維の束面と平行に当て板を設け、この当て板によ
つてさらに一度高圧流体をはね返して再び繊維の束に衝
突させるとフイラメントの転移が能率よく行なわれる。
この当て板には表面がほぼ平滑で流体を反射し得るよう
にされ、金属、プラスチツク、ガラス、木、硬質ゴム等
で製作される。

構造は全く穴部を有しない平板又は円筒、又は第３〜第
６図に示すように網目、格子状もしくは短冊状の穴部を
有するものが用いられる。当て板を用いると繊維の束を
この上に配列して、この当て板を利用するので繊維の束
の抑え具の取り付けも簡単で繊維に対して張力を掛け易
いのでフイラメントの絡み度合を自由に調整することが
できる。

つぎに本発明の引揃えプリプレグの製造法の一実施態様
を図について説明する。

第１〜第２図においてクリール７より引揃えたマルチフ
イラメント束１を巻取りドラム１４で巻取り、このマル
チフイラメント束群１を抑えローラ４１，４２，４３に
よつて受け皿９の中を通過させ、その通過のさいマルチ
フイラメント束の移行する方向に対して直角に、かつそ
のマルチフイラメント束面から適当な距離を保つて設け
られたノズル孔６よりポンプ８によつて高圧流体をフイ
ラメントの束面に吹きつける。

受け皿９は抑えローラ４２，４３間で繊維の束に吹きつ
けられた流体を収容する容器で図には示さなかつたがこ
の受け皿９には流体の排出口が設けられ、必要に応じて
流体を高圧ポンプ８に戻して循環使用する。またこの受
け皿９には繊維束の移行面に並行して当て板３を設け一
度繊維の束に吹きつけた高圧流体をこれに当ててはね返
し再び繊維のフイラメントに当てそれを配位させ、高圧
流体を効率よく使用する。当て板は高圧流体を反射し、
かつこれを反射し得る強度を有するもので、この実施態
様には第３図〜第６図に示すように平板、円筒状を含め
て、平板に多数の穴を設けて高圧流体が繊維の束内を通
過し易くし、繊維のフイラメントを横方向だけでなく、
繊維の束の厚み方向にも繊維のフイラメントを配位させ
これらを絡み合わせることができる。

すなわち、第３図は平板状の当て板３ａを示し、第４図
は平板状の当て板３ｂに短冊状の穴部５ｂを設けたもの
、第５図は平板状の当て板３ｃに網目状の穴部５ｃを設
けた当て板の平面図を示し、第６図は円筒状の当て板３
ｄを用いて繊維束１ｄにノズル６ｄから高圧流体を吹き
つけている装置の正面図を示す。

この穴を設けた当て板は厚みが大きいプリプレグの製造
に適している。また、第１〜第２図において６はノズル
で繊維束の移行する方向に対して直角に往復運動させる
。

高圧流体によつてフイラメントが繊維軸と直角な方向に
転位して絡んでシート状となつた繊維の束を必要に応じ
て乾燥炉１０に移行し、ここで乾燥させたのち、その繊
維の束を樹脂含浸槽１１に入れその中の樹脂浴に浸漬さ
せる。ついでローラ１２によつて樹脂の含浸を十分に行
なうとともにその樹脂の含浸量を調整する。さらに必要
に応じて加熱炉１３に入れ、樹脂含浸繊維に含まれる有
機溶媒成分を揮発させ、かつ樹脂の重縮合度を高め最後
に巻取り機１４により引揃えプリプレグが得られる。加
熱炉１３の中で加熱した成形体は離型紙を挾めることが
好ましい。本発明の引揃えプリプレグは第７図に示すよ
うにこれが構成されている繊維の束１ｅと束１ｅとの間
、及びその束内でフイラメント２ｅの一部又は大部が転
位して絡み合つているので、第８図に示す従来品とは異
なり機械的ストレス及び熱ストレスによつて繊維と樹脂
との結合力が低下せず、これにともない繊維の束と束と
の間に間隙が生じないので、取扱い、運搬、加工、又は
保管によつて品質が低下しない。

またこれを用いて繊維強化プラスチツク製品とした場合
、繊維長方向の強度低下がほとんどなく、従来法で得ら
れた製品に比して繊維の引揃え方向と直角方向の強度が
１．５〜４倍も増大させることができる。つぎに本発明
の実施態様を実施例で説明するが本発明はこれらによつ
て限定されるものではない。

実施例 １１２０００フイラメント、４８００デニール
の炭素繊維（引張強度３４０ｋｇ／Ｍｄ、引張弾性率２
０ｔ／Ｍｄ）のフイラメントヤーンを１００本を木製の
平板の上に０．１０９／ｄの張力を掛けて弓揃えて並べ
た、この引揃えたヤーンの上を次の条件で水のジニット
流を吹き付けた。

水のジニット流の条件 ノズル直径 ０．２ｍｍφ 圧 力 Ｍａｘ２ＯＯｌ＜９／Ｃｄ（４０回／分の
脈流）ノズルの先端とヤーンとの距離 ３ｍ／ｍノズル
の個数 １ケ ノズル移動速度 ４．５ｍ／Ｔｔｕｌ（引揃え方向と直
角の方向へ移動し、５ｍ／ｍの巾で全面に渡り吹き付け
た） 水のジニット流の吹き付け工程後、処理した炭素繊維の
一部を採り、その特性を測定したが吹き付け工程前と比
較して引張強度、引張弾性率には全く低下は見られなか
つた。

繊維の長さ方向に対して直角方向の束間破断強度は吹き
付け工程前ではＯであつたが吹き付け工程後では２００
９／１？巾となつた。

このようにして得られたシートを１００℃、２時間乾燥
後メチルエチルケトンを溶剤としたエポキシ樹脂（エピ
コート◆８２８，１００部ＢＦ３ＭＥＡ３ＰＨＲ，．Ｍ
ＥＫｌ５ＯＰＨＲ）に含浸し、ついで１２０℃で１５分
間乾燥した。

この０．１ｍｍ厚の引揃えプリプレグシートを１方向で
積層し１５０Ｘ８０Ｘ３ｍｍの寸法で成形した。この時
の強度は繊維方向引張強度（σｙ）は１９３ｋｇ／Ｍｄ
ｌ繊維と直角方向引張強度（σｘ）は８．４ｋｇ／Ｍｄ
であつた。この時の繊維体積含有率は６１％であつた。
実施例 ２ 水のジニット流の圧力を４００ｋｇ／Ｃ！ｌとした以外
は実施例１と同じ条件で、炭素繊維を処理して引揃えプ
リプレグシートを得た。

これを実施例１に準じて積層し実施例１の場合と同じサ
イズで成形した。このもののσｙは１８９１＜９／Ｍ７
ｌ．、σｘは１４．１ｋｇ／Ｍ７ｌであつた。

実施例 ３ 水のかわりにメチルエルケトンに３５％のエポキシ樹脂
を含む溶液（硬化剤も含む、粘度２０℃で２５σｐ）を
用いてジニット流を吹き付けた他は実施例１と同様の条
件で炭素繊維を処理して弓揃えプリプレグシートを得た
。

これを実施例１に準じて積層し、実施例１の成形品と同
じ寸法に成形した。このもののσｙは１９４ｋｇ／Ｍｄ
ｌσｘは７．６ｋｇ／Ｍｄであつた。比較例 １ 実施例１に用いた炭素繊維を、水のジニット流を用いな
い以外は実施例１と同じ条件で処理し、得られた引揃え
プリプレグシートを、さらに実施例１に準じて積層し実
施例１の成形品と同じ寸法に成形した。

このもののσｙは１９５１＜９／ＭｉＬｌσｘは３．８
ｋｇ／Ｍ７ｊＩであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の引揃えプリプレグの製造法の一実施態
様の工程説明図、第２図は高圧流体を繊維束に吹きつけ
るさいの装置の斜視図、第３図〜第５図は各種当て板の
平面図、第６図は円筒状の当て板を用いて繊維束にノズ
ルから高圧流体を吹きつけている装置の正面図、第７図
は本発明の引揃えプリプレグの縦断面図及び第８図は従
来品の引揃えプリプレグの縦断面図を示す。 １，１ｅ，１ｆ：束、２ｅ，２ｆ：フイラメント、３，
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ：当て板、４１，４２，４３：
抑えローラー、５ｂ，５ｃ：穴、６，６ｄ：ノズル、７
リタリール、８：高圧ポンプ、９：受け皿、１０：乾燥
炉、１１：含浸槽、１２：ローラ、１３：加熱炉、１４
：巻取り器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方向に並行するマルチフィラメントの繊維の束の
   複数個を互いに隣接し、かつその繊維長方向にこれら束
   間及び束内でフィラメントの一部又は大部が他のフィラ
   メントと絡らみ、かつ繊維が樹脂で含浸してなる引揃え
   プリプレグ。 ２ マルチフィラメントの繊維の束の複数個を一方向に
   並行して互いに隣接させ、得られる繊維の束の集合体に
   高圧流体を吹き付け、吹き付け時又は吹き付け後にその
   繊維の束の集合体に樹脂を含浸させることを特徴とする
   引揃えプリプレグの製造法。 ３ 流体が水、水と空気との混合物、有機溶媒及び合成
   樹脂のいずれかである特許請求の範囲第２項の引揃えプ
   リプレグの製造法。 ４ 流体の圧力が５０〜５００ｋｇ／ｃｍ＾２である特
   許請求の範囲第２項又は第３項記載の引揃えプリプレグ
   の製造法。 ５ マルチフィラメントの繊維の束の複数個を一方向に
   並列して互いに隣接させ、得られる繊維の束の集合体を
   連続的に巻取りながら、この繊維の束の移行する方向に
   対して直角の方向に往復運動をする高圧流体を噴出する
   ノズルから高圧流体を前記繊維の束の集合体に吹きつけ
   、この繊維の束と束との間及び束内でフィラメントの一
   部又は大部を他のフィラメントと絡らませ、その繊維の
   束の集合体を前記高圧流体の吹き付け中又は吹き付け後
   に樹脂を含浸させることを特徴とする引揃えプリプレグ
   の製造法。 ６ 流体が水、水と空気との混合物、有機溶媒及び合成
   樹脂のいずれかである特許請求の範囲第５項記載の引揃
   えプレプレグの製造法。 ７ 流体の圧力が５０〜５００ｋｇ／ｃｍ＾２である特
   許請求の範囲第５項又は第６項記載の引揃えプリプレグ
   の製造法。