JP7220448B2 - METHOD FOR MANUFACTURING FIBER REINFORCED COMPOSITE - Google Patents
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Description
本発明は、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたチョップドストランド・プリプレグを使用した繊維強化複合材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a fiber-reinforced composite material using a chopped strand prepreg in which reinforcing fibers are impregnated with a thermoplastic resin.
熱可塑性樹脂(CFRTP)をマトリックスとした繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグには、チョップドストランドを使用したプリプレグ(チョップドストランド・プリプレグ)がある。これは、熱可塑性樹脂をマトリックスとする一方向配列ストランド(繊維束)を、例えば25mmから50mm程度の繊維長に切断した短冊状のプリプレグである。かかるプリプレグは、成形時の流動性、例えばスタンピング成形時の流動性が良好であり、色々な複雑形状のFRP成形品を熱可塑プレス成形するのに適している(特許文献1~6参照)。
A fiber-reinforced thermoplastic resin prepreg having a thermoplastic resin (CFRTP) as a matrix includes a prepreg using chopped strands (chopped strand prepreg). This is a strip-shaped prepreg obtained by cutting a unidirectionally arranged strand (fiber bundle) having a thermoplastic resin as a matrix into fiber lengths of about 25 mm to 50 mm, for example. Such a prepreg has good fluidity during molding, for example, fluidity during stamping molding, and is suitable for thermoplastic press molding of FRP molded products having various complicated shapes (see
従来の熱可塑プレス成形では、成形時にプレス型内で強化繊維に樹脂を含浸させるため、比較的低粘度域で高い圧力をかける必要があった。このため、成形時の樹脂流動により繊維配向の制御不能な乱れが発生し、これにより、製品強度のバラツキが発生したり、或いは薄肉FRP成形品の製造が困難になったりする等の問題があった。 In conventional thermoplastic press molding, it was necessary to apply high pressure in a relatively low viscosity range in order to impregnate reinforcing fibers with resin in the press mold during molding. For this reason, the resin flow during molding causes uncontrollable disturbances in fiber orientation, which causes problems such as variations in product strength and difficulty in manufacturing thin FRP molded products. rice field.
そこで本発明の目的は、繊維間の空隙(ボイド)と製品強度のバラツキを抑制し、薄肉FRP成形品のプレス成形も容易化する繊維強化複合材の製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a fiber-reinforced composite material that suppresses voids between fibers and variation in product strength and facilitates press molding of thin FRP molded products.
前記課題を解決するため、本発明の繊維強化複合材の製造方法は、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたチョップドストランド・プリプレグを、繊維配向を二次元ランダムに積層して所定厚さのプリプレグ積層体とし、当該プリプレグ積層体を、20~1800[Pa・s]の複素粘度になるまで加熱すると共に、1~8[MPa]で加圧することで所定厚さのシート状に成形した後、冷却することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention is a prepreg having a predetermined thickness by laminating chopped strand prepregs in which reinforcing fibers are impregnated with a thermoplastic resin in a two-dimensional random orientation. As a laminate, the prepreg laminate is heated to a complex viscosity of 20 to 1800 [Pa s] and pressed at 1 to 8 [MPa] to form a sheet with a predetermined thickness. Characterized by cooling.
本発明によれば、マトリックスの熱可塑性樹脂の可塑性を利用し、20~1800[Pa・s]の適正複素粘度と1~8[MPa]の適正圧力でプレス成形するので、プレス成形時に積層体に含まれるプリプレグ同士の隙間に樹脂が浸透することでボイドを効率的に除去でき、物性バラツキを抑制した等方性繊維強化複合材を製造することができる。したがって、これを熱可塑プレス成形して薄肉FRP成形品を容易に製造することができる。 According to the present invention, the plasticity of the thermoplastic resin of the matrix is utilized, and press molding is performed at an appropriate complex viscosity of 20 to 1800 [Pa s] and an appropriate pressure of 1 to 8 [MPa]. Voids can be efficiently removed by permeating the gaps between the prepregs contained in the resin, and an isotropic fiber-reinforced composite material with suppressed variation in physical properties can be produced. Therefore, it can be thermoplastically press-molded to easily produce a thin-walled FRP molded product.
以下、本発明の繊維強化複合材の製造工程に関する一実施形態について図面を参照して説明する。図1は繊維強化複合材の製造工程の一例を示す図である。
(1.強化繊維の開繊工程)
この工程では、まず強化繊維としての単繊維(炭素繊維)を所定本数収束してなる炭素繊維ストランド1を、水道水で満たされた水槽2内の数本のガイドローラ3を通すことで開繊して開繊ストランド1Aにする。ここでは、炭素繊維ストランド1として、炭素繊維TC36P-12K(800tex、12,000フィラメント、Formosa Plastics Corporation製)を使用した。開繊ストランド1Aの厚さは、製品の十分な強度を確保する観点と、熱可塑性樹脂の十分な含浸を確保することを両立する観点から、通常、平均厚さとして10~60μmが好適である。なお、炭素繊維ストランドは無撚でも有撚でも構わない。
An embodiment of the process for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a fiber-reinforced composite material.
(1. Reinforcing fiber opening process)
In this process, first, a
強化繊維の種類は前述した炭素繊維に限定されない。無機繊維、有機繊維、金属繊維、またはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の繊維も強化繊維として使用可能である。 The type of reinforcing fiber is not limited to the carbon fiber mentioned above. Inorganic fibers, organic fibers, metallic fibers, or hybrid fibers combining these can also be used as reinforcing fibers.
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などが挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステルなどが挙げられる。 Examples of inorganic fibers include carbon fibers, graphite fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers, tungsten carbide fibers, boron fibers, and glass fibers. Organic fibers include aramid fibers, high-density polyethylene fibers, other general nylon fibers, polyesters, and the like.
金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維を挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、最終成形物の強度等の機械特性を考慮すると、炭素繊維が最も好ましい。 Examples of metal fibers include fibers of stainless steel, iron, and the like, and carbon fibers coated with metal may also be used. Among these, carbon fiber is most preferable in consideration of mechanical properties such as strength of the final molded product.
開繊ストランド1Aを作成後、当該開繊ストランド1Aの水分をホットローラ対4に通して除去し乾燥する。本発明の実施形態ではホットローラ対4の温度を100℃にした。当該温度は、炭素繊維ストランド1のサイジング剤が溶融しない範囲であれば100℃に限らず任意の高温でよい。乾燥した開繊ストランド1Aの幅Wは15mm~17mmになった。
After preparing the
(2.熱可塑性樹脂の含浸工程)
この工程は、乾燥した開繊ストランド1Aにマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を含浸させる工程である。この含浸の方法としては、樹脂を吐出させるダイを用いて開繊ストランド1Aの上下面から塗布することにより行ってもよいし、開繊ストランド1Aを熱可塑性樹脂の溶融槽に浸漬させて行ってもよい。
(2. Thermoplastic resin impregnation step)
This step is a step of impregnating the dried
浸漬させた場合、ニップロール等を用いて開繊ストランド1Aに対する樹脂付着量を調整してもよい。溶剤を使用して含浸させる場合は含浸後に溶剤を揮発させるため、また反応性樹脂を使用する場合は樹脂の重合を進めるため、それぞれ加熱処理を行ってもよい。
When immersed, a nip roll or the like may be used to adjust the amount of resin adhered to the
図1の例では、乾燥した開繊ストランド1Aの上下両面にマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を樹脂吐出ダイを使用して塗布する。そして熱可塑性樹脂を塗布した開繊ストランド1Aを直ちに離型ベルト対5に通し、上下両面に塗布された熱可塑性樹脂を加熱下で押圧して開繊ストランド1Aに含浸させ冷却する。これにより高含浸率・高平滑性のプリプレグテープが得られる。
In the example of FIG. 1, a thermoplastic resin is applied as a matrix resin to both upper and lower surfaces of the dried
本発明の実施形態では、熱可塑性樹脂として熱可塑性エポキシ樹脂(ナガセケムテックス(株)製、XNR6850V)を使用した。そして当該熱可塑性エポキシ樹脂100重量部と、硬化剤(ナガセケムテックス(株)製、XNH6850V)8重量部を十分に混合攪拌して樹脂ペーストにしたものを、開繊ストランド1Aの上下両面に塗布した。当該樹脂ペーストは、離型ベルト対5の直前位置で、開繊ストランド1Aの上下両面に樹脂体積含有率(Vf)が40%、したがって繊維体積含有率(Vf)が60%となるように塗布する。塗布治具としては、ドクターブレードや平口ノズルを使用することができる。なお、繊維体積含有率(Vf)は10~80%の範囲であれば繊維強化複合材の十分な機械的強度を得ることができる。尚、この熱可塑性エポキシ樹脂は非晶性であり現場重合型樹脂である。
In the embodiment of the present invention, a thermoplastic epoxy resin (XNR6850V manufactured by Nagase ChemteX Corporation) was used as the thermoplastic resin. Then, 100 parts by weight of the thermoplastic epoxy resin and 8 parts by weight of a curing agent (XNH6850V, manufactured by Nagase ChemteX Corporation) are sufficiently mixed and stirred to form a resin paste, which is applied to both upper and lower surfaces of the
ここで、熱可塑性樹脂は前述した熱可塑性エポキシ樹脂のほか、ナイロン6、ナイロン12、ナイロン66、ナイロン46に代表されるポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレ-トやポリブチレンテレフタレ-トなどのポリエステル系樹脂、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリエ-テルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエ-テルイミド樹脂、ポリカ-ボネ-ト樹脂などを使用することも可能である。これらの樹脂の特徴としては結晶性樹脂や非晶性樹脂、また後述する成形工程等で分子量が大きくなる現場重合型樹脂等が挙げられる。 Here, the thermoplastic resin is the thermoplastic epoxy resin described above, as well as polyamide resins represented by nylon 6, nylon 12, nylon 66, and nylon 46, polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate. Polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyether ketone resins, polyphenylene sulfide resins, polyetherimide resins, polycarbonate resins, and the like can also be used. Characteristics of these resins include crystalline resins, amorphous resins, and in-situ polymerizable resins whose molecular weight increases during the molding process described later.
但し、耐熱性が要求される分野では、熱可塑性樹脂がポリエステル系樹脂であることが好ましい。特に耐熱性や機械的強度、クリ-プ特性、耐薬品性、耐油性が要求される分野では、ポリエチレンテレフタレ-トがより好ましい。また加水分解防止剤、熱劣化防止剤等の添加剤を目的に応じて添加することができる。 However, in fields where heat resistance is required, the thermoplastic resin is preferably a polyester-based resin. Polyethylene terephthalate is more preferable especially in fields where heat resistance, mechanical strength, creep properties, chemical resistance and oil resistance are required. Additives such as hydrolysis inhibitors and heat deterioration inhibitors may also be added depending on the purpose.
更にコストや賦形時の流動性、耐水性、耐熱水性、耐化学薬品性が要求される分野では、熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂であることが好ましい。更に好ましくは経済的に優れることから、ポリプロピレンであることが望ましい。 Furthermore, in fields where cost, fluidity during shaping, water resistance, hot water resistance, and chemical resistance are required, the thermoplastic resin is preferably a polyolefin resin. Polypropylene is more preferable because it is economically excellent.
そして摩耗性、耐油性、長期耐熱特性が必要な場合は、熱可塑性樹脂がポリアミド系樹脂であることが好ましい。更に好ましくはナイロン6であることが望ましい。この場合、例えば酸素雰囲気下で、加熱されると酸化劣化を起こす場合があるので、これを防止するために酸化劣化防止剤等を目的に応じて添加することができる。 When abrasion resistance, oil resistance, and long-term heat resistance are required, the thermoplastic resin is preferably a polyamide resin. Nylon 6 is more preferable. In this case, oxidation deterioration may occur when heated in an oxygen atmosphere, for example, so an oxidation deterioration inhibitor or the like can be added depending on the purpose in order to prevent this.
(3.プリプレグテープの裁断工程)
この工程は、上記の工程で得られたプリプレグテープを、今度はカッタ6によって所定長さに裁断し、チョップドストランド・プリプレグ1Bとする工程である。本発明の実施形態では、チョップドストランド・プリプレグ1Bの体積が33.5mm3となるように裁断長さを調節した(ストランド長さは約29mm)。
(3. Cutting process of prepreg tape)
In this step, the prepreg tape obtained in the above step is cut to a predetermined length by the cutter 6 to form chopped
チョップドストランド・プリプレグ1Bの形状は特に制限されない。多角形のものや、辺の一部に曲線を有するものであってもよい。但し、長方形にすると製造が簡便であり、効率がよいことから好ましい。この場合、長方形の一方の長辺が繊維軸方向と平行であり、他方の短辺が繊維軸方向と直角であることがより好ましい。裁断方法は特に限定されないが、ギロチン方式、コダック方式、ペレタイザー、ロータリー方式等を採用することができる。
The shape of the chopped
(4.散布・積層工程)
この工程は、上記工程で得られた所要量のチョップドストランド・プリプレグ1Bを散布機7から下方に配置された堆積盤8の上に自由落下で散布・積層させ、プリプレグ積層体1Cを得る工程である。本発明の実施形態では、プリプレグ積層体1Cのシート目付けが1013g/m2になるようにチョップドストランド・プリプレグ1Bを散布機7から300mm下方に配置された堆積盤8の上に散布・積層した。
(4. Scattering/Lamination Process)
In this step, the required amount of chopped
(5.仮留め工程)
この工程は、散布・積層工程で得られたプリプレグ積層体1Cを近赤外線や遠赤外線で加熱し、プリプレグ含まれている樹脂を軟化させ、チョップドストランド・プリプレグ1B同士を接着させることによりプリプレグ積層体1Cを固定させる工程である。プリプレグ積層体1Cを加圧ローラ9の間に通過させることにより、プリプレグ積層体1Cに含まれるチョップドストランド・プリプレグ同士が仮留めされた仮留めシート1Dが得られる。この加熱・加圧工程では、加熱・加圧機構のあるベルトコンベヤを使用することができる。当該ベルトコンベヤは例えば420mm/minの速度で駆動させ、当該プリプレグ積層体1Cを上下一対の加圧ローラ9の間(7mmの隙間)を通過させる。この工程での加熱温度については特に限定されないが、使用する熱可塑性樹脂のガラス転移温度(Tg)や融点温度(Tm)付近であることが仮留めシート1Dに含まれるチョップドストランド・プリプレグの繊維配向を維持する観点から好ましい。
(5. Temporary fastening process)
In this step, the
ここで、本発明の製造方法においては、散布・積層工程で得られたプリプレグ積層体1Cを次の予備加熱工程からプレス成形しても良いし、仮留め工程で得られた仮留めシートを予備加熱工程からプレス成形しても良い。
Here, in the manufacturing method of the present invention, the
(6.予備加熱工程)
この工程は、プレス成形時に基材を流れやすくするために基材を加熱する工程であり、プリプレグ積層体1C又は仮留めシート1Dを上下一対で配設された加圧板10、ヒーターが内蔵されている金型10aの間に配置し、これらに含まれている熱可塑性樹脂の粘度が20~1800[Pa・s]になるまで加熱する。ここで、単に「粘度」というときは「複素粘度」を意味するものとする(以下同様)。この際、マトリックス樹脂が結晶性樹脂の場合は融点以上であって熱分解未満の温度で加熱する。また、マトリックス樹脂が融点を有しないときはガラス転移温度以上であって熱分解未満の温度で加熱する。本発明の実施形態では、無圧下(又は0.5MPa以下)で150℃で5分(300sec)間加熱し、樹脂粘度が119[Pa・s]になった。また、この予備加熱工程では上記したような金型内での加熱に加えて、予備加熱機を用いて近赤外線又は遠赤外線を用いて加熱しても良い。
(6. Preheating step)
This step is a step of heating the base material in order to facilitate the flow of the base material during press molding. It is placed between the
(粘度曲線)
プリプレグ積層体1Cの樹脂粘度が所要の粘度に到達するまで加熱時間は、加熱温度によって異なる。図2は加熱温度を180℃にして加熱した場合の熱可塑エポキシ樹脂の重合過程における粘度曲線を示す。
(viscosity curve)
The heating time until the resin viscosity of the
図2の粘度曲線は、2分経過後に粘度勾配が立上り始め、4分経過後11分までは略一律の急勾配で粘度が増大し、その後はやや緩やかな上り勾配となる。上限粘度1800[Pa・s]には約7分30秒で到達する。 In the viscosity curve of FIG. 2, the viscosity gradient begins to rise after 2 minutes have passed, and after 4 minutes has passed, the viscosity increases with a substantially uniform steep slope until 11 minutes, after which it becomes a slightly gentle upward slope. The maximum viscosity of 1800 [Pa·s] is reached in about 7 minutes and 30 seconds.
(樹脂粘度の測定方法)
ここで、樹脂粘度の測定方法を説明する。測定に使用した樹脂は、熱可塑性エポキシ樹脂(ナガセケムテックス(株)社製、XNR6850V)100重量部に、硬化剤(ナガセケムテックス(株)社製、XNH6850V)8質量部を十分に混合し、当該混合物に含まれる溶剤成分を取り除いたものである。
(Method for measuring resin viscosity)
Here, a method for measuring resin viscosity will be described. The resin used for the measurement was a mixture of 100 parts by weight of a thermoplastic epoxy resin (XNR6850V, manufactured by Nagase ChemteX Corporation) and 8 parts by weight of a curing agent (XNH6850V, manufactured by Nagase ChemteX Corporation). , from which the solvent component contained in the mixture is removed.
測定に使用した粘度測定装置は、回転式粘度計レオメータ(型式:MCR302、(株)アントンパール社製)である。粘度の測定条件は、ひずみ3%、周波数1Hzとし、熱板とジオメトリの間に前記樹脂を挟み、熱板の温度を180℃に保ち、時間変化における粘度の測定を行った。その結果が前述した図2である。
The viscosity measuring device used for the measurement is a rotational viscometer rheometer (model: MCR302, manufactured by Anton Paar Co., Ltd.). The viscosity was measured under conditions of
(7.シート成形工程)
この工程は、プリプレグ積層体1C又は仮留めシート1Dを予備加熱工程と同様にこれらに含まれている熱可塑性樹脂の粘度が20~1800[Pa・s]となるように維持させながら、1~8[MPa]の圧力でプレスすることにより圧縮し所定厚さのシート状に成形する工程である。成形時の粘度が上記以上、プレス圧が下限以下の場合、得られる繊維強化複合材の内部にボイドが残存しやすくなるため好ましくない。また、粘度が下限以下、プレス圧が上限以上の場合、繊維配向の乱れが発生したり、得られる繊維強化複合材にバリが発生しやすく重量のばらつきが大きくなるため好ましくない。更にプレス圧が上限以上の場合、使用する金型が変形するため好ましくない。
(7. Sheet forming process)
In this step, the viscosity of the thermoplastic resin contained in the
本発明の実施形態では、仮留めシート1Dに含まれている樹脂の粘度が119[Pa・s]に150℃・4MPaの条件で15分間加熱・加圧処理した。この加熱・加圧処理の結果、厚さ2mmの炭素繊維強化複合材1Eが得られた。なお、当該「15分間」は、仮留めシート1Dや目標複合材の厚み・目付けに応じて、ボイド除去のため増減調節することができる。また前記加熱温度(150℃)は、炭素繊維強化複合材1Eの厚み方向中央部付近に挿入した熱電対温度センサで測定した。
このプレス形成では、仮留めシート1Dの繊維間隙間に樹脂が繊維配向を乱すことなく含浸する。したがって、低ボイド率で物性バラツキの少ない等方性炭素繊維強化複合材1Eが得られる。
In the embodiment of the present invention, the viscosity of the resin contained in the
In this press forming, the inter-fiber gaps of the
(8.冷却工程)
この工程は、シート成形の後に上記したプレス圧を保持したまま加圧板10及び金型10aを所定温度まで冷却する工程であり、これより強化繊維複合材1Eを金型aから脱型させることができる。この際の冷却温度についてはマトリクス樹脂として使用する熱可塑性樹脂のガラス転移温度(Tg)以下、或いは融点温度(Tm)以下であることが好ましい。
(8. Cooling process)
This step is a step of cooling the
(チョップドストランド・プリプレグ)
次に、本実施形態で使用するチョップドストランド・プリプレグの大きさについて説明する。
(平均体積)
本実施形態で使用するチョップドストランド・プリプレグは、プリプレグ1枚あたりの平均体積(mm3)が、好ましくは5~120mm3、より好ましくは4~60m3である。1枚あたりの平均体積が前記上限(60m3または120mm3)を超えると、単位面積あたりに散布できる基材枚数(チョップドストランド・プリプレグ1Bの数)が減少することにより、物性のばらつきが増大し等方性を確保することが難しくなる。
(chopped strand prepreg)
Next, the size of the chopped strand prepreg used in this embodiment will be described.
(average volume)
The chopped strand prepreg used in this embodiment preferably has an average volume (mm 3 ) per prepreg sheet of 5 to 120 mm 3 , more preferably 4 to 60 m 3 . If the average volume per sheet exceeds the upper limit (60 m 3 or 120 mm 3 ), the number of substrates (the number of chopped
(長さ)
チョップドストランド・プリプレグの繊維方向の長さは、好ましくは平均5~50mm、より好ましくは平均10~30mmである。当該平均長さにすることにより、シートとしての高い機械的強度と等方性を確保しやすくなり、シート内のボイドの発生を抑制することができる。
(length)
The length of the chopped strand prepreg in the fiber direction is preferably 5 to 50 mm on average, more preferably 10 to 30 mm on average. By adjusting the average length, it becomes easier to ensure high mechanical strength and isotropy as a sheet, and it is possible to suppress the generation of voids in the sheet.
(幅)
チョップドストランド・プリプレグの繊維方向と直角方向の幅は、好ましくは平均10~20mm、より好ましくは平均12~20mm、さらに好ましくは平均15~20mmである。幅方向平均長さを10mm以上とすることで、単位厚さあたりの積層枚数を十分な枚数としやすくなり、等方性を確保しやすくなる。また、幅方向平均長さを20mm以下とすることで、テープ割れを防止しやすくなり、それによりプリプレグ1枚あたりの基材体積を安定させやすくなり、機械的強度のばらつきを抑制しやすくなる。
(width)
The width of the chopped strand prepreg in the direction perpendicular to the fiber direction is preferably 10 to 20 mm on average, more preferably 12 to 20 mm on average, and still more preferably 15 to 20 mm on average. By setting the average length in the width direction to 10 mm or more, it becomes easier to obtain a sufficient number of laminated sheets per unit thickness, and it becomes easier to ensure isotropy. Also, by setting the average length in the width direction to 20 mm or less, it becomes easier to prevent tape cracking, thereby making it easier to stabilize the volume of the base material per prepreg and to suppress variations in mechanical strength.
(厚み)
チョップドストランド・プリプレグの厚みは、好ましくは平均55~115μm、より好ましくは55~95μmである。平均厚みを55μm以上とすることでテープ割れを防止しやすくなり、それによりプリプレグ1枚あたりの基材体積を安定させやすくなり、機械的強度のばらつきを抑制しやすくなる。また、平均厚みを115μm以下とすることで、単位厚さあたりの積層枚数を十分な枚数としやすくなり、それにより等方性を確保しやすくなる。
(thickness)
The thickness of the chopped strand prepreg is preferably 55-115 μm on average, more preferably 55-95 μm. By setting the average thickness to 55 μm or more, it becomes easier to prevent tape cracking, thereby making it easier to stabilize the volume of the base material per prepreg sheet and to suppress variations in mechanical strength. In addition, by setting the average thickness to 115 μm or less, it becomes easier to obtain a sufficient number of laminated sheets per unit thickness, thereby making it easier to ensure isotropy.
(層数)
強化複合材の厚み方向に積層されるチョップドストランド・プリプレグの層数は、好ましくは9~19層/mm、より好ましくは13~19層/mmである。9層以上とすることで等方性を確保しやすくなり、またプリプレグの安定生産の観点から19層以下とすることが好ましい。
(number of layers)
The number of layers of chopped strand prepreg laminated in the thickness direction of the reinforced composite material is preferably 9 to 19 layers/mm, more preferably 13 to 19 layers/mm. Having 9 or more layers makes it easier to ensure isotropy, and from the viewpoint of stable production of prepreg, it is preferable to have 19 or less layers.
(仮留めシートの好適展開率)
仮留めシート1Dの好適展開率は100~115%である。ここでの展開率とは、仮留めシート1Dの大きさ(縦横の長さ)から目標とする複合材の大きさ(縦横の長さ)へ展開する比率(%)であり、(展開率)=100×(複合材の目標とする大きさ(縦横の長さ))/(仮留めシート1Dの大きさ(縦横の長さ))の式で示される。例えば、複合材の目標とする大きさが600mmx600mmの角型シートである場合、縦横長さが560mm~580mm程度の大きさになるように仮留めシート1Dを製造するとよい。展開率が上限の115%以上(縦横長さが560mm未満)になると、シート成形時に複合材に含まれるプリプレグが流動しすぎて、シートとしての等方性(後述のCV値)が得られないため好ましくない。
(Preferred expansion rate of temporary fixing sheet)
A preferable expansion rate of the
上記した好適展開率(100~115%)により、仮留めシート1Dに含まれるプリプレグ同士の配向を崩すことなく、且つプリプレグ内の繊維配向の並行度を維持したまま、シート成形をすることが可能となる。これにより、物性のばらつきが少ない等方性の複合材を得ることが可能となる。
Due to the above-mentioned suitable expansion ratio (100 to 115%), it is possible to form the sheet without destroying the orientation of the prepregs included in the
(物性バラツキの確認試験)
得られた炭素繊維強化複合材1Eの1枚のシートの任意の箇所の第1方向から、5本の試験片を短冊状に切り出し、また当該第1方向に対して垂直な第2方向で、同じく5本の試験片を短冊状に切り出した。これら短冊状試験片の大きさは、長さ250mm±1.0mm、幅35mm±0.2mmである。これをJIS K 7164規格に準じ、チャック間距離150mm、試験速度1.0mm/minで物性バラツキの確認試験を実施した。
(Confirmation test for variations in physical properties)
Five test pieces were cut into strips from an arbitrary position in the first direction of one sheet of the obtained carbon fiber reinforced
ここでCV値(Coefficient of Variation)とは、相対的な散らばりを表す指標(変動係数)であり、(標準偏差/測定値の平均値)×100(%)で表される値である。引張強度CV値が小さいほど引張強度のバラツキが少ないことを示している。 Here, the CV value (Coefficient of Variation) is an index (coefficient of variation) representing relative dispersion, and is a value represented by (standard deviation/average value of measured values)×100 (%). A smaller tensile strength CV value indicates less variation in tensile strength.
(実施例と比較例)
以下の表1の実施例1~12と比較例1~5は、加熱温度を180℃とし、炭素繊維ストランド1や熱可塑性樹脂の種類等は同じ条件で揃え、予備加熱時間、プレス粘度(プレス成形時の樹脂粘度)及びプレス圧を様々に変えて行った試験結果をまとめたものである。右端のボイドとバリの欄は、ボイド率とバリ重量率を以下の表2の基準に従って判定したものである。
In Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 5 in Table 1 below, the heating temperature was 180 ° C., the types of
ボイド率はJIS K 7052に準拠して測定した。ここでは0.6%未満のボイド率を合格とした。バリ重量率は、試料である繊維強化複合材の大きさが600mm角、2mm厚で、樹脂体積含有率(Vf)が40%、全体重量995gのものを試料とし、その全体重量995gに対するバリ部分の重量を%表示した。ここでは0.8%未満のバリ重量率を合格とした。 The void fraction was measured according to JIS K7052. Here, a void rate of less than 0.6% was considered acceptable. The burr weight ratio was obtained by using a sample fiber-reinforced composite material with a size of 600 mm square and a thickness of 2 mm, a resin volume fraction (Vf) of 40%, and a total weight of 995 g. The weight of is displayed in %. Here, a burr weight percentage of less than 0.8% was regarded as acceptable.
なお、炭素繊維ストランド1は前述した炭素繊維TC36P-12K(800tex、12,000フィラメント、Formosa Plastics Corporation製)を使用したが、太さ(tex)とフィラメント数を変えた他の炭素繊維ストランドを使用して行った同様の試験でも、表1における結果で有意差は認められなかった。
The
したがって、本発明で強化繊維に炭素繊維を使用する場合、そのフィラメント数は特に限定されない。前記実施形態で示した12000本(12K)に加えて、1000本(1K)、3000本(3K)、6000本(6K)、15000本(15K)、18000本(18K)、24000本(24K)、30000本(30K)、60000本(60K)等、本発明で使用するプリプレグの幅や厚みに応じて適宜変更して使用可能である。 Therefore, when carbon fibers are used as reinforcing fibers in the present invention, the number of filaments is not particularly limited. In addition to 12000 lines (12K) shown in the above embodiment, 1000 lines (1K), 3000 lines (3K), 6000 lines (6K), 15000 lines (15K), 18000 lines (18K), 24000 lines (24K) , 30,000 (30K), 60,000 (60K), etc., depending on the width and thickness of the prepreg used in the present invention.
(実施例)
実施例1~12は、いずれも、プレス粘度が20~1800Pa・s、プレス圧が1~8MPaの適正範囲内である。したがって、変動係数、ボイド率およびバリ重量率のすべてが合格である。
(Example)
All of Examples 1 to 12 have a press viscosity of 20 to 1800 Pa·s and a press pressure of 1 to 8 MPa. Therefore, the coefficient of variation, void fraction and flash weight fraction all pass.
実施例1はプレス圧が下限(1MPa)だが、低粘度(27Pa・s)のためボイド率が少なく合格である。実施例2と3は実施例1と同様に低粘度(27Pa・s)だが、プレス圧がやや大きい(4MPa、8MPa)ためバリ重量率(0.61%、0.79%)がやや大きいが、ボイド率(0.20%、0.13%)は実施例1の0.28%より少なく合格である。実施例4はプレス圧が下限(1MPa)でやや粘度(128Pa・s)が高いため、ボイド率(0.32%)がやや大きいが合格である。 In Example 1, although the pressing pressure is the lower limit (1 MPa), the void ratio is small due to the low viscosity (27 Pa·s), and the sample passes the test. Examples 2 and 3 have low viscosity (27 Pa·s) as in Example 1, but the pressing pressure is slightly high (4 MPa, 8 MPa), so the flash weight ratio (0.61%, 0.79%) is slightly high. , the void fraction (0.20%, 0.13%) is less than 0.28% of Example 1, which is acceptable. In Example 4, the pressing pressure is the lower limit (1 MPa) and the viscosity (128 Pa·s) is slightly high, so the void ratio (0.32%) is slightly large, but it is acceptable.
実施例5~11は粘度とプレス圧のバランスがよいため、変動係数、ボイド率およびバリ重量率のすべてが合格であるが、実施例8はプレス圧が上限(8MPa)のためバリ重量率(0.72%)がやや大きく、実施例10はプレス圧が下限(1Pa・s)のためボイド率(0.48%)がやや大きくなっている。実施例12も粘度とプレス圧のバランスがよいため変動係数、ボイド率およびバリ重量率のすべてが合格であるが、プレス圧が上限(8Pa・s)のためバリ重量率(0.67%)がやや大きくなっている。 Examples 5 to 11 have a good balance between viscosity and press pressure, so all of the coefficient of variation, void ratio, and flash weight ratio pass the test. 0.72%) is slightly large, and Example 10 has a slightly large void fraction (0.48%) because the pressing pressure is the lower limit (1 Pa·s). Example 12 also has a good balance between viscosity and press pressure, so all of the coefficient of variation, void ratio, and flash weight ratio are acceptable. is slightly larger.
(比較例)
一方、比較例1は、プレス粘度が15(Pa・s)で不足しているため、ボイド率(0.16%)は合格だが変動係数(21.8%)とバリ重量率(0.82%)が不合格であった。比較例2はプレス圧が0.5MPaで不足しているため、バリ重量率(0.12%)は合格だが変動係数(36.8%)とボイド率(1.04%)が不合格であった。
(Comparative example)
On the other hand, in Comparative Example 1, the press viscosity was insufficient at 15 (Pa s). %) were unacceptable. In Comparative Example 2, since the pressing pressure was insufficient at 0.5 MPa, the burr weight ratio (0.12%) passed, but the coefficient of variation (36.8%) and void ratio (1.04%) failed. there were.
比較例3はプレス圧が10MPaで過大であったため、ボイド率(0.14%)は合格だが変動係数(22.0%)とバリ重量率(0.84%)が不合格であった。比較例4はプレス粘度(1850Pa・s)が過大であったため、バリ重量率(0.29%)は合格だが変動係数(24.1%)とボイド率(0.62%)が不合格であった。比較例5もプレス粘度(2780Pa・s)が過大であったため、バリ重量率(0.22%)は合格だが変動係数(24.6%)とボイド率(0.81%)が不合格であった。 In Comparative Example 3, since the pressing pressure was 10 MPa, which was excessive, the void ratio (0.14%) passed, but the coefficient of variation (22.0%) and burr weight ratio (0.84%) failed. In Comparative Example 4, the press viscosity (1850 Pa·s) was excessive, so the burr weight ratio (0.29%) passed, but the coefficient of variation (24.1%) and void ratio (0.62%) failed. there were. Comparative Example 5 also had an excessive press viscosity (2780 Pa·s), so the burr weight ratio (0.22%) passed, but the coefficient of variation (24.6%) and void ratio (0.81%) failed. there were.
以上のように、樹脂の粘度が20[Pa・s]より低くなると樹脂の流動性が高くなりすぎるので、成形後のシート内に含まれるプリプレグの繊維配向が乱れやすく、物性のばらつきにつながる。また、プレス圧が8[MPa]より高くなっても、成形後のシート内に含まれるプリプレグの繊維配向が同様に乱れやすく物性のばらつきにつながる。また、樹脂の粘度が1800[Pa・s]よりも高い場合や、プレス圧が1[MPa]よりも低い場合も、成形後のシートに含まれるボイドが除去できないため物性低下を引き起こす。 As described above, when the viscosity of the resin is lower than 20 [Pa s], the fluidity of the resin becomes too high, so the fiber orientation of the prepreg contained in the molded sheet tends to be disturbed, leading to variations in physical properties. Also, even if the press pressure is higher than 8 [MPa], the fiber orientation of the prepreg contained in the molded sheet is likely to be disturbed, leading to variations in physical properties. Also, when the viscosity of the resin is higher than 1800 [Pa·s] or the press pressure is lower than 1 [MPa], voids contained in the molded sheet cannot be removed, resulting in deterioration of physical properties.
本発明で得られる等方性炭素繊維強化複合材を中間素材として、所望製品形状の金型を使用して加熱・加圧することで、表面性状・物性に優れたFRP製品を容易に製造することができる。当該等方性炭素繊維強化複合材1Eは、不連続繊維と熱可塑性材料の特性から、板金の代替的利用も可能であって、ハイサイクルでのFRP成形品製造を実現することができる。また、プレス成形時に繊維配向を維持することができるので、高強度薄肉FRP成形品の低コスト製造も可能であり、幅広い製品ニーズに応えることが可能となる。
Using the isotropic carbon fiber reinforced composite material obtained by the present invention as an intermediate material, heat and pressurize it using a mold having a desired product shape to easily manufacture an FRP product with excellent surface properties and physical properties. can be done. The isotropic carbon fiber reinforced
このように、本発明で得られる等方性炭素繊維強化複合材は、ハイサイクル・薄肉化が可能なことから、自動車の構造部材等への低コストの適応が可能となり、さらには、機械・装置等のフレームや筐体等の成形材料としても有利に適用することができる。 As described above, the isotropic carbon fiber reinforced composite material obtained by the present invention is capable of high cycle and thin wall, so it can be applied to structural members of automobiles at low cost. It can also be advantageously applied as a molding material for frames and housings of devices.
以上、本発明の実施形態及び実施例・比較例について述べたが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態では開繊工程で炭素繊維ストランド1を水中のガイドローラ3に通したが、他の方法、例えば空気流を使用して炭素繊維ストランド1を開繊してもよい。
Although the embodiments, examples, and comparative examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the
また、チョップドストランド・プリプレグ1Bを散布機7を使用して繊維配向が二次元ランダムのプリプレグ積層体1Cにする方法は、堆積盤8に代えてベルトコンベアを使用して連続的にプリプレグ積層体1Cを形成する方法としてもよい。この場合、散布機7はチョップドストランド・プリプレグ1Bの定量フィーダと組み合わせたり、複数配置したりすることで、生産性を向上することができる。
In addition, in the method of making the chopped
また、チョップドストランド・プリプレグ1Bを、図1の散布機7から堆積盤8の上に自由落下させるのではなく、図4のような金型20の矩形凹部21に、図1の散布機7から直接散布・積層してもよい。この場合は、繊維配向が二次元ランダムで所定厚さのプリプレグ積層体1Cが矩形凹部21内に形成される。
In addition, instead of allowing the chopped
図4(a)のようにチョップドストランド・プリプレグ1Bの散布・積層によるプリプレグ積層体1Cを、ポンチ30で加圧して図4(b)の炭素繊維強化複合材1Eを得る。ポンチ30で加圧する際、前述したようにプリプレグ積層体1Cを所定温度に加熱することは勿論である。この方法は図9の仮留め用の加圧ローラ9が不要であり、仮留めシート1Dの形成工程を省略可能なので、炭素繊維強化複合材1Eの生産効率を向上することができる。
A
1:炭素繊維ストランド 1A:開繊ストランド
1B:チョップドストランド・プリプレグ 1C:プリプレグ積層体
1D:仮留めシート 1E:炭素繊維強化複合材
2:水槽 3:ガイドローラ
4:ホットローラ対 5:離型ベルト対
6:カッタ 7:散布機
8:堆積盤 9:加圧ローラ
10:加圧板
1:
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