JP6537430B2

JP6537430B2 - 補強シート及びその製造方法

Info

Publication number: JP6537430B2
Application number: JP2015198825A
Authority: JP
Inventors: 歴堀本; 義彦砂川; 忠玄田中
Original assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: JP2017071112A

Description

本発明は、薄膜シートの表面に開繊した炭素繊維を並列状にして積層一体化した補強シート及びその製造方法に関する。

炭素繊維は、炭素繊維強化樹脂等の強化繊維としてよく知られている。炭素繊維を使用した炭素繊維強化樹脂は、高強度、軽量等の特色を生かして、ゴルフクラブのシャフト、釣竿等の各種スポーツ用品、航空機、自動車、圧力容器などに広く応用されおり、今後の応用も期待されている。従来技術として、炭素繊維等の強化繊維束を一方向に引き揃え、低融点ポリマーを含む不織布等によってシート状支持体に接着した補強用強化繊維シートが提案されている（特許文献１〜２）。

特開平１１−０００９５９号公報特開２０００−１９８１５８号公報

しかし、従来技術の補強シートは、炭素繊維束をそのまま一方向に配列しているため、補強シートが厚いことによる取扱いにくさや、補強される物体の元の厚みをかなり厚くしてしまう等の問題があった。また例えば熱硬化性樹脂を含浸させる用途の場合、樹脂が含浸しにくいという問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、厚さが薄くかつ樹脂が含浸しやすい補強シート及びその製造方法を提供する。

本発明の補強シートは、薄膜シートの少なくとも一表面に炭素繊維フィラメント群が積層されている補強シートであって、前記炭素繊維フィラメント群は開繊されており、各フィラメントが一方向に並列状に配列しており、かつ所定本数ごとに間隔があけられており、前記薄膜シートは、不織布及び紙から選ばれる少なくとも一つの薄膜シートであり、前記薄膜シートと前記並列状の炭素繊維フィラメント群とは接着により一体化されており、前記並列状の炭素繊維フィラメント群の所定本数ごとにあける間隔は、３〜１００ｍｍであり、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅と前記間隔との関係は、下記の計算式で７０〜８５％であることを特徴とする。
開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合（％）＝開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）／[開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）＋前記間隔（ｍｍ）]×１００

本発明の補強シートの製造方法は、前記補強シートの製造方法であって、炭素繊維フィラメント群を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列し、前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に接着剤を付与し、その上から薄膜シートを重ね合わせ、前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化することを特徴とする。

本発明の別の補強シートの製造方法は、前記補強シートの製造方法であって、炭素繊維フィラメント群を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列し、前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に粉末状接着剤をふりかけ、その上から薄膜シートを重ね合わせ、加熱して前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化することを特徴とする。

本発明の補強シートは、炭素繊維フィラメント群は、各フィラメントが一方向に並列状に配列ており、前記薄膜シートは、不織布及び紙から選ばれる少なくとも一つの薄膜シートであり、前記薄膜シートと前記並列状の炭素繊維フィラメント群とは接着により一体化されていることにより、厚さが薄くかつ樹脂が含浸しやすい補強シート及びその製造方法を提供できる。

図１Ａは本発明の一実施形態の補強シートの表面の模式的平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線の模式的断面図である。図２Ａは本発明の別の実施形態の補強シートの表面の模式的平面図、図２Ｂは同、模式的裏面図である。図３は本発明の一実施形態の補強シートの製造方法を示す模式的工程図である。

本発明の補強シートは、薄膜シートの少なくとも一表面に炭素繊維フィラメント群が積層されている。ここで「炭素繊維フィラメント群」とは多数本の炭素繊維フィラメントであることを意味する。例えば６Ｋ（６０００本）、１２Ｋ（１２０００本）、２４Ｋ（２４０００本）、４８Ｋ（４８０００本）、５０Ｋ（５００００本）等、あるいはそれ以上の本数である。好ましくは１２Ｋ〜５０Ｋ、繊度８００ｇ／１０００ｍ〜３７００ｇ／１０００ｍである。前記炭素繊維フィラメント群は、各フィラメントが一方向に並列状に配列している。前記炭素繊維フィラメント群は、前記薄膜シートの片面又は両面に配列されている。

前記薄膜シートは、不織布及び紙から選ばれる少なくとも一つの薄膜シートである。前記薄膜シートは厚みが薄く、かつ接着剤との接着性が高い。したがって、炭素繊維フィラメント群と接着し易く、かつ他の材料とも接着し易い。前記薄膜シートと前記並列状の炭素繊維フィラメント群とは接着により一体化されている。これにより、厚さが薄くかつ樹脂が含浸しやすい補強シートとなる。

不織布は、スパンボンド不織布、ニードルパンチ不織布、ケミカルボンド不織布、サーマルボンド不織布、ステッチボンド不織布、メルトブロー不織布、スパンレース不織布、水流交絡不織布、湿式不織布等が使用できる。紙は、上質紙、クラフト紙、グラシン紙、パーチメント紙、合成樹脂フィルムラミネート紙、合成紙等を使用できる。

前記並列状の炭素繊維フィラメント群は、所定本数ごとに間隔をあけて配列されている。これにより、間隔をあけた部分は接着領域（のりしろ）として使用でき、補強シート同士あるいは他の材料との接着力が向上する。前記並列状の炭素繊維フィラメント群の所定本数ごとにあける間隔は、３〜１００ｍｍが好ましく、より好ましくは５〜５０ｍｍである。また、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅と炭素繊維フィラメント群の所定本数ごとにあける間隔との関係は、補強シートの補強性能と軽量性とのバランスを鑑みれば、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合が７０〜８５％であることが好ましい。なお、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合は以下の計算式で求められる。
開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合（％）＝開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）／（開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）＋所定本数ごとにあける間隔（ｍｍ））×１００

前記補強シートの厚みは０．０５〜０．５ｍｍであるのが好ましく、より好ましくは０．１〜０．３ｍｍである。また、前記並列状の炭素繊維フィラメント群の厚みは０．０３〜０．１５ｍｍが好ましい。前記の厚みであれば軽量化でき、かつ樹脂が含浸しやすい。さらに、前記補強シートの単位面積当たりの質量は、３０〜１５０ｇ／ｍ²が好ましい。前記の質量であれば、軽い補強シートとすることができる。

前記不織布は、合成繊維及びガラス繊維から選ばれる少なくとも一つの繊維で構成されているのが好ましい。これらの繊維は補強材料としても使用できるからである。合成繊維としては、ポリオレフィン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、他のスーパー繊維等が使用できる。

前記薄膜シートの裏面にも、炭素繊維フィラメント群の各フィラメントが一方向に並列状に配列して積層されており、前記薄膜シートの裏面に積層した炭素繊維フィラメントの方向は、表面に積層した炭素繊維フィラメント群の方向と同一又は異なるのが好ましい。これにより、様々な方向に強度を有する補強シートとすることができる。

本発明の補強シートの製造方法は、まず、炭素繊維フィラメント群を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列する。一例として、炭素繊維の開繊方法（特開２０１０−２７０４２０号公報）に従って、炭素繊維フィラメント群を開く。複数対のニップロールを使用する場合は炭素繊維フィラメント群を徐々に開いていく。あるいはロールと併用して炭素繊維フィラメント群に空気を吹き付けても良い。

次に、前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に接着剤を付与し、その上から薄膜シートを重ね合わせ、前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化する。接着剤としてはエポキシ系接着剤が好ましい。エポキシ系接着剤は粉体でもよいし液体でもよい。好ましくは、前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に粉末状接着剤をふりかけ、その上から薄膜シートを重ね合わせ、加熱して前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化する。粉末状接着剤としては、エポキシ系粉末接着剤が好ましく、例えばHUNTSMAN社製のXB 3366、MOMENTIVE社製のEPIKOTE 05390 、EPIKOTE 620がある。加熱時にはロール等で加圧するのが好ましい。

次に図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図１Ａは本発明の一実施形態の補強シートの表面の模式的平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線の模式的断面図である。この補強シート１は、薄膜シート２の一表面に炭素繊維フィラメント群３の各フィラメントが一方向に並列状に配列して接着により一体化されている。薄膜シートには補強効果を生み出すのに必要な最低限の量の炭素繊維しか載せないのが好ましく、各炭素繊維フィラメント群３同士の間隔をあけて並列状に配列させており、この間隔をあけた部分４は接着領域（のりしろ）としても使用できる。炭素繊維フィラメント群３は、図１Ｂに示すようにほぼ一列で横に並べられている。この補強シートは、１枚で使用することもできるし、複数枚積層して使用することもできる。複数枚積層して使用する際には、炭素繊維フィラメント群の方向性を異ならせて使用することができる。

図２Ａは本発明の別の実施形態の補強シートの表面の模式的平面図、図２Ｂは同、模式的裏面図である。この補強シート５は、薄膜シートの表面６ａに炭素繊維フィラメント群７の各フィラメントが一方向に並列状に配列して接着により一体化されている。炭素繊維フィラメント群７はそれぞれ間隔を空けて並列状に配列されており、これにより間隔をあけた部分８は接着領域（のりしろ）しても使用できる。
裏面６ｂは、図１Ｂに示すように表面と直交する方向に炭素繊維フィラメント群９の各フィラメントが一方向に並列状に配列して接着により一体化されている。炭素繊維フィラメント群９はそれぞれ間隔を空けて並列状に配列されており、これにより間隔をあけた部分１０は接着領域（のりしろ）しても使用できる。

図３は本発明の一実施形態の補強シートの製造方法を示す模式的工程図である。複数本の巻糸体１１から炭素繊維フィラメント群１２を引き出し、ニップロール１９ａ，１９ｂ及び１９ｃ，１９ｄを通過させ、前記炭素繊維フィラメント群１２を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列する。得られた炭素繊維フィラメント群１３の表面に、粉末状接着剤容器１４ａから粉末状接着剤１４ｂをふりかける。一方、ロール１５に巻かれた薄膜シート１６を引き出し、ガイドロール１７を通過させ、前記粉末状接着剤１４ｂをふりかけた炭素繊維フィラメント群１３に重ね合わせ、ヒーター１８を通過させ、ニップロール１９ｅ，１９ｆで加圧し、不織布１６と炭素繊維フィラメント群１３とを接着一体化し、補強シート２０とし、巻上体２１に巻き取る。この補強シートは、１枚で使用することもできるし、複数枚積層して使用することもできる。複数枚積層して使用する際には、炭素繊維フィラメント群の方向性を異ならせて使用することができる。

以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、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１）
強化用繊維として三菱レイヨン社製炭素繊維フィラメント群（１５Ｋ）、トータル繊度１０００ｇ／１０００ｍを使用し、この炭素繊維フィラメント群を図３に示す方法で補強シートを製造した。薄膜シートはガラス繊維不織布（質量３０ｇ／ｍ²）を用いた。接着剤はMOMENTIVE社製のエポキシ系接着剤「EPIKOTE 05390」を用い、開繊後の炭素繊維フィラメント群に対し１０ｇ／ｍ²の割合で付与した。続いて上方側から薄膜シートを積層したのちヒーター温度１６０℃で加熱し、ニップローラー間を通過させることで加圧接着した。なお、ライン速度は１０ｍ／ｍｉｎであった。
得られた補強シートを図１に示す。並列状の炭素繊維フィラメント群の幅（開繊後の幅）は２５ｍｍ、炭素繊維フィラメント群の間隔は８ｍｍとした。なお、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合は７６％であり、得られた補強シートの質量は６８ｇ／ｍ²であった。各成分の厚みは表１にまとめて示す。

（実施例２）
薄膜シートとしてポリエチレンテレフタレート繊維製スパンレース不織布（質量１６ｇ／ｍ²）を用いた以外は実施例１と同様に実験した。並列状の炭素繊維フィラメント群の幅（開繊後の幅）は２５ｍｍ、炭素繊維フィラメント群の間隔は８ｍｍとした。得られた補強シートの質量は５４ｇ／ｍ²であった。各成分の厚みは表１にまとめて示す。

（実施例３）
強化用繊維としてSGL社製炭素繊維フィラメント群（５０Ｋ）、トータル繊度３３００ｇ／１０００ｍを使用し、この炭素繊維フィラメント群を図３に示す方法で補強シートを製造した。
薄膜シートとして紙（質量５０ｇ／ｍ²）を用いた。並列状の炭素繊維フィラメント群の幅（開繊後の幅）は５０ｍｍ、炭素繊維フィラメント群の間隔は１２．５ｍｍとした。なお、開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合は８０％であり、得られた補強シートの質量は１１１ｇ／ｍ²であった。各成分の厚みは表１にまとめて示す。

表１から明らかなとおり、各実施例の厚さは極めて薄いことが確認できた。これだけ薄いと樹脂が含浸しやすい補強シートとなり、また補強シートが薄いことによる取り扱いやすさや、補強される物体を元の形状に近い状態で補強できる。
加えて、並列状の炭素繊維フィラメント群は、必要以上の炭素繊維を載せないために、所定本数ごとに間隔をあけて配列されていることにより、間隔をあけた部分は接着領域（のりしろ）として使用でき、補強シート同士あるいは他の材料との接着力が向上することも確認できた。

本発明の補強シートは、各種ボード（板状部材）の補強材、車体補強材、ゴルフクラブのシャフト、釣竿等の各種スポーツ用品、航空機、自動車、圧力容器などに広く応用できる。

１，５，２０補強シート
２，１６薄膜シート
３，７，９，１３炭素繊維フィラメント群
４，８，１０間隔をあけた部分
６ａ薄膜シートの表面
６ｂ薄膜シートの裏面
１１巻糸体
１２炭素繊維フィラメント群
１４ａ粉末状接着剤容器
１４ｂ粉末状接着剤
１５，２２ロール
１７ガイドロール
１８ヒーター
１９ａ〜１９ｂ，１９ｃ〜１９ｄ，１９ｅ〜１９ｄニップロール
２１巻上体

Claims

薄膜シートの少なくとも一表面に炭素繊維フィラメント群が積層されている補強シートであって、
前記炭素繊維フィラメント群は開繊されており、各フィラメントが一方向に並列状に配列しており、かつ所定本数ごとに間隔があけられており、
前記薄膜シートは、不織布及び紙から選ばれる少なくとも一つの薄膜シートであり、
前記薄膜シートと前記並列状の炭素繊維フィラメント群とは接着により一体化されており、
前記並列状の炭素繊維フィラメント群の所定本数ごとにあける間隔は、３〜１００ｍｍであり、
開繊された炭素繊維フィラメント群の幅と前記間隔との関係は、下記の計算式で７０〜８５％であることを特徴とする補強シート。
開繊された炭素繊維フィラメント群の幅の割合（％）＝開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）／[開繊された炭素繊維フィラメント群の幅（ｍｍ）＋前記間隔（ｍｍ）]×１００
前記所定本数ごとに間隔をあけた部分は接着領域である請求項１に記載の補強シート。
前記炭素繊維フィラメント群は、収束された炭素繊維フィラメント群を開繊することにより得られたフィラメント群である請求項１又は２に記載の補強シート。
前記補強シートの厚みは０．０５〜０．５ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の補強シート。
前記炭素繊維フィラメント群の厚みは０．０３〜０．１５ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の補強シート。
前記補強シートの単位面積当たりの質量は、３０〜１５０ｇ／ｍ²である請求項１〜５のいずれかに記載の補強シート。
請求項１〜６のいずれかに記載の補強シートの製造方法であって、
炭素繊維フィラメント群を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列し、
前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に接着剤を付与し、その上から薄膜シートを重ね合わせ、前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化することを特徴とする補強シートの製造方法。
請求項１〜６のいずれかに記載の補強シートの製造方法であって、
炭素繊維フィラメント群を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列し、
前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に粉末状接着剤をふりかけ、その上から薄膜シートを重ね合わせ、加熱して前記薄膜シートと前記炭素繊維フィラメント群とを接着一体化することを特徴とする補強シートの製造方法。