JP7841845B2 - Continuous fiber-reinforced resin composite material and method for manufacturing the same - Google Patents
Continuous fiber-reinforced resin composite material and method for manufacturing the sameInfo
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Description
本発明は、連続繊維強化樹脂複合材料及びの製造方法に関する。 This invention relates to a continuous fiber-reinforced resin composite material and a method for producing it.
各種機械や自動車等の構造部品、圧力容器、及び管状の構造物等には、マトリックス樹脂材料にガラス繊維等の強化材が添加された複合材料成形体が使用されている。特に、強度の観点から、強化繊維が連続繊維である連続繊維強化樹脂複合材料が望まれている。この連続繊維強化樹脂複合材料としては、強化繊維に添加する収束剤を工夫しているもの(例えば、以下の特許文献1参照)、融点と結晶化温度の差を工夫しているもの(例えば、以下の特許文献2参照)、樹脂材料に有機塩を加えているもの(例えば、以下の特許文献3参照)、成形前駆体の布帛を熱可塑性の樹脂で積層しているもの(例えば、以下の特許文献4参照)、連続強化繊維と樹脂の界面における接着力、親和性等が良好なもの(例えば、以下の特許文献5参照)が提案されている。 Composite material molded articles, in which reinforcing materials such as glass fibers are added to a matrix resin material, are used in structural components of various machines and automobiles, pressure vessels, and tubular structures. In particular, from the viewpoint of strength, continuous fiber-reinforced resin composite materials, where the reinforcing fibers are continuous fibers, are desired. As such continuous fiber-reinforced resin composite materials, those with modified converging agents added to the reinforcing fibers (see, for example, Patent Document 1 below), those with modified differences between melting point and crystallization temperature (see, for example, Patent Document 2 below), those with added organic salts to the resin material (see, for example, Patent Document 3 below), those with a fabric molding precursor laminated with a thermoplastic resin (see, for example, Patent Document 4 below), and those with good adhesion and affinity at the interface between the continuous reinforcing fibers and the resin (see, for example, Patent Document 5 below) have been proposed.
しかしながら、従来技術の連続繊維強化樹脂複合材料では、いずれも、物性試験時に発せられるアコースティックエミッション(AE)信号が良好ではなく、強度、弾性率等の物性や吸水特性が十分でない点で改善の余地がある。 However, conventional continuous fiber-reinforced resin composite materials all exhibit unsatisfactory acoustic emission (AE) signals during physical property testing, and their physical properties such as strength, elastic modulus, and water absorption characteristics are insufficient, indicating room for improvement.
かかる従来技術の水準に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、アコースティックエミッション信号が良好で、高い強度、弾性率、及び吸水特性を有する連続繊維強化樹脂複合材料及びその製造方法を提供することである。 In view of the state of prior art, the problem that this invention aims to solve is to provide a continuous fiber-reinforced resin composite material and a method for producing the same, which exhibits good acoustic emission signals and high strength, elastic modulus, and water absorption properties.
本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討し、実験を重ねた結果、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量、昇温速度、冷却速度を調整して製造し、連続繊維強化樹脂複合材料の有するアコースティックエミッション信号を工夫することで、上記課題を解決できることを予想外に見出し、本発明を完成するに至ったものである。 The inventors of this invention diligently studied and conducted numerous experiments to solve the aforementioned problems. As a result, they unexpectedly discovered that the above problems could be solved by adjusting the interface volume, heating rate, and cooling rate of the continuous fiber-reinforced resin composite material during manufacturing, and by devising a method for controlling the acoustic emission signal of the continuous fiber-reinforced resin composite material. This led to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は以下のとおりのものである。
[1]
連続強化繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む連続繊維強化樹脂複合材料であり、
下記式で求められる前記連続繊維強化樹脂複合材料のアコースティックエミッション(AE)カウントAが0.16以下であり、
前記連続繊維強化樹脂複合材料の界面量が100,000m-1以上であり、
前記熱可塑性樹脂の結晶化度が20~40%であり、且つ
前記連続強化繊維基材の目付が637g/m2以上である
ことを特徴とする、連続繊維強化樹脂複合材料。
(AEカウントA)=(振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
[2]
前記振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数が100,000以下である、[1]に記載の連続繊維強化樹脂複合材料。
[3]
振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数が1,000以上である、[1]又は[2]に記載の連続繊維強化樹脂複合材料。
[4]
前記総AE信号数が500,000以上である、[1]~[3]のいずれかに記載の連続繊維強化樹脂複合材料。
[5]
下記式で求められるAEカウントBが1.1×10-3以上である、[1]~[4]のいずれかに記載の連続繊維強化樹脂複合材料。
(AEカウントB)=(振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
[6]
前記熱可塑性樹脂がポリアミド系樹脂である、[1]~[5]のいずれかに記載の連続繊維強化樹脂複合材料。
[7]
[1]~[6]のいずれかに記載の連続繊維強化樹脂複合材料の製造方法であって、
前記連続繊維強化樹脂複合材料の界面量が100,000m-1以上であり、昇温速度が200~330℃/分であり、冷却速度が10~120℃/分であり、
前記熱可塑性樹脂の結晶化度が20~40%であり、且つ
前記連続強化繊維基材の目付が637g/m2以上である
ことを特徴とする、製造方法。
In other words, the present invention is as follows:
[1]
A continuous fiber-reinforced resin composite material comprising a continuous fiber substrate and a thermoplastic resin,
The acoustic emission (AE) count A of the continuous fiber-reinforced resin composite material, calculated using the following formula, is 0.16 or less.
The interface content of the continuous fiber-reinforced resin composite material is 100,000 m⁻¹ or more.
The degree of crystallinity of the thermoplastic resin is 20 to 40%, and the basis weight of the continuous reinforcing fiber substrate is 637 g/ m² or more.
A continuous fiber-reinforced resin composite material characterized by the following features .
(AE Count A) = (Number of AE signals with amplitude of 40 dB or more and duration of 3500 μs or less) / (Total number of AE signals)
[2]
The continuous fiber-reinforced resin composite material according to [1], wherein the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3,500 μs or less is 100,000 or less.
[3]
A continuous fiber-reinforced resin composite material according to [1] or [2], wherein the number of AE signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1,000 μs or less is 1,000 or more.
[4]
The continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of [1] to [3], wherein the total number of AE signals is 500,000 or more.
[5]
A continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of [1] to [4], wherein the AE count B calculated by the following formula is 1.1 × 10⁻³ or greater.
(AE count B) = (Number of AE signals with amplitude 25-30 dB and duration 1000 μs or less) / (Total number of AE signals)
[6]
The continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of [1] to [5], wherein the thermoplastic resin is a polyamide resin.
[7]
A method for producing a continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of [1] to [6],
The interface area of the continuous fiber-reinforced resin composite material is 100,000 m⁻¹ or more, the heating rate is 200 to 330°C/min, and the cooling rate is 10 to 120°C/min.
The degree of crystallinity of the thermoplastic resin is 20 to 40%, and the basis weight of the continuous reinforcing fiber substrate is 637 g/ m² or more.
A manufacturing method characterized by the following features .
本発明に係る連続繊維強化樹脂複合材料は、アコースティックエミッション信号が良好で、高い強度、弾性率、及び吸水特性を発現することができる。 The continuous fiber-reinforced resin composite material according to the present invention exhibits good acoustic emission signals and can demonstrate high strength, elastic modulus, and water absorption properties.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 The following describes in detail embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment"). However, the present invention is not limited to the following embodiments and can be implemented in various modifications within the scope of its gist.
[連続繊維強化樹脂複合材料]
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料(以下、単に「複合材料」ともいう。)は、連続強化繊維と樹脂とを含み、曲げ試験中のアコースティックエミッション信号において、下記式で求められるAEカウントAが0.16以下である。
(AEカウントA)=(振幅40dB以上かつ持続時間3,500μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
上記AEカウントAは、0.10以下であることが好ましく、0.05以下であることがより好ましい。前記AEカウントAがこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる連続強化繊維と熱可塑性樹脂との密着性が良好で両者の破壊が生じにくく、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
前記信号数を前記範囲に調整する方法としては、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料の製造方法において、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量を100,000m-1以上、昇温速度を200~330℃/分、かつ、冷却速度を10~120℃/分にする方法等が挙げられる。
なお、本開示で、連続繊維強化樹脂複合材料のアコースティックエミッション信号は、アコースティックエミッションセンサを曲げ試験の治具に取りつけ、曲げ試験中に連続繊維強化樹脂複合材料から発せられる音を上記センサで感知することで取得できる。振幅40dB以上かつ持続時間3,500μ秒以下の範囲で生じたアコースティックエミッション信号の数と総AE信号数とを測定することにより、上記AEカウントAが得られ、詳細には、後述の実施例に記載の方法で求めることができる。
[Continuous fiber reinforced resin composite material]
The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment (hereinafter also simply referred to as "composite material") includes continuous reinforcing fibers and resin, and the AE count A, calculated by the following formula in the acoustic emission signal during a bending test, is 0.16 or less.
(AE Count A) = (Number of AE signals with amplitude of 40 dB or more and duration of 3,500 μs or less) / (Total number of AE signals)
The above AE count A is preferably 0.10 or less, and more preferably 0.05 or less. When the AE count A is within this range, the adhesion between the continuous reinforcing fibers contained in the continuous fiber-reinforced resin composite material and the thermoplastic resin is good, making it difficult for both to break, and allowing for the expression of excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warp properties.
As a method for adjusting the number of signals to the aforementioned range, for example, in a method for manufacturing a continuous fiber-reinforced resin composite material, the interface amount of the continuous fiber-reinforced resin composite material is 100,000 m⁻¹ or more, the heating rate is 200 to 330°C/min, and the cooling rate is 10 to 120°C/min.
In this disclosure, the acoustic emission signal of the continuous fiber-reinforced resin composite material can be obtained by attaching an acoustic emission sensor to a bending test fixture and sensing the sound emitted from the continuous fiber-reinforced resin composite material during the bending test. The AE count A is obtained by measuring the number of acoustic emission signals generated in the range of amplitude 40 dB or more and duration 3,500 μs or less, and the total number of AE signals, and in detail, it can be determined by the method described in the embodiments below.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、曲げ試験中のアコースティックエミッション信号において、振幅40dB以上かつ持続時間3,500μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が、100,000以下であることが好ましく、80,000以下であることがより好ましく、60,000以下であることが更に好ましく、50,000以下であることがより更に好ましい。
前記信号数がこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる連続強化繊維と樹脂との密着性が良好で両者の破壊が生じにくく、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
前記信号数を前記範囲に調整する方法としては、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量を100,000m-1以上、連続強化繊維の基材の目付を637g/m2以上、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合を45%以上、昇温速度を200~330℃/分、冷却速度を10~120℃/分、かつ、熱可塑性樹脂の末端基濃度を70μmol/g以上にする方法が挙げられる。
In the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment, the number of acoustic emission signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3,500 μs or less during a bending test is preferably 100,000 or less, more preferably 80,000 or less, even more preferably 60,000 or less, and even more preferably 50,000 or less.
When the number of signals is within this range, the adhesion between the continuous reinforcing fibers and the resin in the continuous fiber-reinforced resin composite material is good, making fracture of both less likely, and enabling the material to exhibit excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warping properties.
A method for adjusting the number of signals to the aforementioned range includes, for example, setting the interface amount of the continuous fiber-reinforced resin composite material to 100,000 m⁻¹ or more, the basis weight of the continuous reinforcing fiber substrate to 637 g/ m² or more, the proportion of the thermoplastic resin in the charging volume to 45% or more, the heating rate to 200 to 330 °C/min, the cooling rate to 10 to 120 °C/min, and the end group concentration of the thermoplastic resin to 70 μmol/g or more.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、曲げ試験中のアコースティックエミッション信号において、振幅25~30dBかつ持続時間1,000μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が、1,000以上であることが好ましく、3,000以上であることがより好ましく、5,000以上であることが更に好ましい。
前記信号数がこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる連続強化繊維と樹脂との密着性が良好で両者の破壊が生じにくく、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
前記信号数を前記範囲に調整する方法としては、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料の製造時の冷却速度を10~120℃/分、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂の結晶化度を20~40%、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合を45%以上、かつ冷却圧縮時間を1~10分にする方法が挙げられる。
In the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment, the number of acoustic emission signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1,000 μs or less during a bending test is preferably 1,000 or more, more preferably 3,000 or more, and even more preferably 5,000 or more.
When the number of signals is within this range, the adhesion between the continuous reinforcing fibers and the resin in the continuous fiber-reinforced resin composite material is good, making fracture of both less likely, and enabling the material to exhibit excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warping properties.
A method for adjusting the number of signals to the aforementioned range includes, for example, setting the cooling rate during the manufacturing of the continuous fiber-reinforced resin composite material to 10 to 120°C/min, the degree of crystallinity of the resin contained in the continuous fiber-reinforced resin composite material to 20 to 40%, the proportion of thermoplastic resin in the filling volume to 45% or more, and the cooling and compression time to 1 to 10 minutes.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、曲げ試験中のアコースティックエミッション信号において、総AE信号数は、500,000以上であることが好ましく、750,000以上であることがより好ましく、1,000,000以上であることが更に好ましい。
前記信号数がこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる連続強化繊維と樹脂との密着性が良好で両者の破壊が生じにくく、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
前記信号数を前記範囲に調整する方法としては、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量を100,000m-1以上、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂の結晶化度を20~40%、冷却圧縮時間を1~10分、かつ、熱可塑性樹脂の末端基濃度を70μmol/g以上にする方法が挙げられる。
In this embodiment, the continuous fiber-reinforced resin composite material preferably has a total AE signal count of 500,000 or more, more preferably 750,000 or more, and even more preferably 1,000,000 or more in the acoustic emission signal during a bending test.
When the number of signals is within this range, the adhesion between the continuous reinforcing fibers and the resin in the continuous fiber-reinforced resin composite material is good, making fracture of both less likely, and enabling the material to exhibit excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warping properties.
A method for adjusting the number of signals to the aforementioned range includes, for example, setting the interface content of the continuous fiber-reinforced resin composite material to 100,000 m⁻¹ or more, the degree of crystallinity of the resin contained in the continuous fiber-reinforced resin composite material to 20-40%, the cooling and compression time to 1-10 minutes, and the end group concentration of the thermoplastic resin to 70 μmol/g or more.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、曲げ試験中のアコースティックエミッション信号において、下記式で求められるAEカウントBが1.1×10-3以上であることが好ましく、2.0×10-3以上であることがより好ましく、3.0×10-3以上であることが更に好ましい。
(AEカウントB)=(振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
前記信号数がこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる連続強化繊維と樹脂との密着性が良好で両者の破壊が生じにくく、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
前記信号数を前記範囲に調整する方法としては、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量を100,000m-1以上、昇温速度を200~330℃/分、冷却速度を10~120℃/分、かつ、熱可塑性樹脂の末端基濃度を70μmol/g以上にする方法が挙げられる。
In this embodiment, the continuous fiber-reinforced resin composite material preferably has an AE count B of 1.1 × 10⁻³ or higher in the acoustic emission signal during a bending test, more preferably 2.0 × 10⁻³ or higher, and even more preferably 3.0 × 10⁻³ or higher.
(AE count B) = (Number of AE signals with amplitude 25-30 dB and duration 1000 μs or less) / (Total number of AE signals)
When the number of signals is within this range, the adhesion between the continuous reinforcing fibers and the resin in the continuous fiber-reinforced resin composite material is good, making fracture of both less likely, and enabling the material to exhibit excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warping properties.
A method for adjusting the number of signals to the aforementioned range includes, for example, setting the interface amount of the continuous fiber-reinforced resin composite material to 100,000 m⁻¹ or more, the heating rate to 200 to 330°C/min, the cooling rate to 10 to 120°C/min, and the end group concentration of the thermoplastic resin to 70 μmol/g or more.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料の大気平衡吸水率は0.75質量%以下であることが好ましく、0.70質量%以下であることがより好ましい。
なお、大気平衡吸水率とは、23℃、湿度50%環境下での吸水率のことをいう。
大気平衡吸水率がこの範囲であると、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。
The atmospheric equilibrium water absorption rate of the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment is preferably 0.75% by mass or less, and more preferably 0.70% by mass or less.
The atmospheric equilibrium water absorption rate refers to the water absorption rate under conditions of 23°C and 50% humidity.
When the atmospheric equilibrium water absorption rate is within this range, excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warp properties can be achieved.
[連続繊維強化樹脂複合材料の形態]
連続繊維強化樹脂複合材料の形態は、特に制限されず、以下の種々の形態が挙げられる。例えば、連続強化繊維の織物や編み物、組紐、パイプ状のものと熱可塑性樹脂とを複合化した形態、一方向に引き揃えた連続強化繊維と熱可塑性樹脂とを複合化した形態、連続強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる糸を一方向に引き揃えて賦形した形態、連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる糸とを織物や編み物、組紐、パイプ状にして賦形した形態等が挙げられる。
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、平板であってよく、連続強化繊維の層と熱可塑性樹脂との層を含む積層体であってよい。例えば、連続強化繊維の長さ方向が平板の表面に略平行に配置されていてもよい。なお、連続強化繊維の層とは、連続強化繊維(例えば、連続強化繊維基材)を含む層であり、連続強化繊維の内部に熱可塑性樹脂が含浸している層であってよい。
連続繊維強化樹脂複合材料の賦形前の中間材料の形態としては、特に制限されず、連続強化繊維と樹脂繊維との混繊糸、連続強化繊維の束の周囲を樹脂で被覆したコーティング糸、連続強化繊維に予め樹脂を含浸させテープ状にしたもの、連続強化繊維を樹脂のフィルムで挟んだもの、連続強化繊維に樹脂パウダーを付着させたもの、連続強化繊維の束を芯材としてその周囲を樹脂繊維で組紐としたもの、強化繊維の間に予め樹脂を含浸させたもの、連続強化繊維と溶融した樹脂とを接触させた形態等が挙げられる。
[Forms of continuous fiber-reinforced resin composite materials]
The form of the continuous fiber-reinforced resin composite material is not particularly limited, and various forms can be cited below. For example, a form in which continuous reinforced fibers are combined with a thermoplastic resin in the form of a woven, knitted, braided, or pipe-shaped material; a form in which continuous reinforced fibers aligned in one direction are combined with a thermoplastic resin; a form in which yarn made of continuous reinforced fibers and thermoplastic resin is aligned in one direction and shaped; and a form in which yarn made of continuous reinforced fibers and thermoplastic resin is formed into a woven, knitted, braided, or pipe-shaped material.
The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment may be a flat plate, or a laminate including a layer of continuous reinforcing fibers and a layer of thermoplastic resin. For example, the longitudinal direction of the continuous reinforcing fibers may be arranged substantially parallel to the surface of the flat plate. The layer of continuous reinforcing fibers is a layer containing continuous reinforcing fibers (for example, a continuous reinforcing fiber substrate), and may be a layer in which thermoplastic resin is impregnated inside the continuous reinforcing fibers.
The form of the intermediate material before shaping of the continuous fiber-reinforced resin composite material is not particularly limited, and examples include a blended yarn of continuous reinforcing fibers and resin fibers, a coated yarn in which a bundle of continuous reinforcing fibers is covered with resin, continuous reinforcing fibers pre-impregnated with resin and made into a tape, continuous reinforcing fibers sandwiched between resin films, continuous reinforcing fibers with resin powder attached, a core material of continuous reinforcing fibers surrounded by a braided cord of resin fibers, reinforcing fibers pre-impregnated with resin, and a form in which continuous reinforcing fibers are in contact with molten resin.
[連続繊維強化樹脂複合材料の製造方法]
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料の製造方法は、特に制限されず、以下の種々の方法が挙げられる。
[Method for manufacturing continuous fiber-reinforced resin composite materials]
The method for producing the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment is not particularly limited and includes various methods such as those listed below.
一方法では、例えば、連続繊維強化樹脂複合材料を構成する基材(例えば、連続強化繊維からなる基材、熱可塑性樹脂からなる基材)を、所望の複合材料に合わせて裁断又は賦形し、目的とする製品の厚みを考慮して必要個数積み重ね又は必要枚数積層させ、金型に金型形状に合わせてセットする。 One method involves, for example, cutting or shaping the base material constituting the continuous fiber-reinforced resin composite material (e.g., a base material made of continuous reinforcing fibers, a base material made of thermoplastic resin) to match the desired composite material, stacking the required number of pieces or layers considering the thickness of the target product, and setting them in a mold according to the mold shape.
基材の裁断は、1枚ずつ行ってもよいし、所望の枚数を重ねてから行ってもよい。生産性の観点からは、重ねた状態で裁断することが好ましい。裁断する方法は、任意の方法でよく、例えば、ウォータージェット、刃プレス機、熱刃プレス機、レーザー、プロッター等が挙げられる。中でも、断面形状に優れ、更に、複数を重ねて裁断する際に端面を溶着することで取扱い性がよくなる熱刃プレス機が好ましい。適切な裁断形状は、トライアンドエラーを繰り返すことでも調整できるが、金型の形状にあわせてCAE(computer aided engineering)によるシミュレーションを行うことで設定することが好ましい。 The substrate can be cut one sheet at a time, or a desired number of sheets can be stacked and cut at once. From a productivity standpoint, cutting in a stacked state is preferable. Any cutting method is acceptable, such as water jet, blade press, hot blade press, laser, or plotter. Among these, a hot blade press is preferred because it offers superior cross-sectional shape and improves handling by welding the edges when cutting multiple sheets in a stack. While the appropriate cutting shape can be adjusted through trial and error, it is preferable to set it by performing a simulation using CAE (computer-aided engineering) in accordance with the mold shape.
基材の賦形は、任意の方法で行ってよく、例えば、シート状の形状に賦形してよい。 The base material may be shaped in any way; for example, it may be shaped into a sheet.
基材を金型にセットした後に金型を閉じて圧縮する。そして、連続繊維強化樹脂複合材料を構成する熱可塑性樹脂の融点以上の温度に金型を温調して熱可塑性樹脂を溶融させ、賦形する。型締め圧力に特に規定はないが、好ましくは1MPa以上、より好ましくは3MPa以上である。また、ガス抜き等をするために一旦型締めをし、圧縮成形した後に一旦金型の型締め圧力を解除してもよい。圧縮成形の時間は、強度発現の観点からは、使用される熱可塑性樹脂が熱劣化しない範囲で長い方が好ましいが、生産性の観点からは、好ましくは2分以内、より好ましくは1分以内が適している。 After setting the substrate in the mold, the mold is closed and compressed. Then, the mold temperature is controlled to a temperature above the melting point of the thermoplastic resin constituting the continuous fiber-reinforced resin composite material, melting the thermoplastic resin and shaping it. There are no specific regulations regarding the mold clamping pressure, but it is preferably 1 MPa or higher, more preferably 3 MPa or higher. Alternatively, the mold may be clamped once for degassing, and the mold clamping pressure may be released after compression molding. From the viewpoint of strength development, a longer compression molding time is preferable as long as the thermoplastic resin used does not undergo thermal degradation; however, from the viewpoint of productivity, a time of 2 minutes or less, more preferably 1 minute or less, is suitable.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料の製造方法において、連続繊維強化複合材料の界面量が100,000m-1以上であり、昇温速度が200~330℃/分であり、冷却速度を10~120℃/分であることが好ましい。また、更に、連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂の結晶化度が20~40%であり、連続強化繊維の基材の目付が637g/m2以上であり、熱可塑性樹脂の体積割合が原料全体の45%以上であり、冷却圧縮時間が1~10分であり、前記熱可塑性樹脂の末端基濃度が70μmol/g以上であることがより好ましい。 In the method for producing a continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment, it is preferable that the interface area of the continuous fiber-reinforced composite material is 100,000 m⁻¹ or more, the heating rate is 200 to 330°C/min, and the cooling rate is 10 to 120°C/min. Furthermore, it is even more preferable that the degree of crystallinity of the resin contained in the continuous fiber-reinforced resin composite material is 20 to 40%, the basis weight of the continuous reinforcing fiber base material is 637 g/ m² or more, the volume ratio of the thermoplastic resin is 45% or more of the total raw materials, the cooling and compression time is 1 to 10 minutes, and the end group concentration of the thermoplastic resin is 70 μmol/g or more.
連続繊維強化複合材料の界面量とは、連続強化繊維とマトリックス樹脂との接する界面の量であり、下記式により求められる。
(界面量(m-1))=(連続繊維強化樹脂複合材料中の強化繊維の体積(m3))×(強化繊維の密度(g/m3))×(強化繊維の単糸数)×(強化繊維の直径(m))×π/(強化繊維の繊度(g/m))/(連続繊維強化樹脂複合材料の体積(m3))
界面量は、100,000m-1以上であることが好ましく、120,000m-1以上であることがより好ましく、130,000m-1以上であることが更に好ましい。また、上限は特に設定されないが、1,000,000m-1以下であることが好ましく、500,000m-1以下であることがより好ましい。
連続繊維強化複合材料の界面量が大きいほど、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
The interface volume of a continuous fiber-reinforced composite material is the amount of interface between the continuous reinforcing fibers and the matrix resin, and can be calculated using the following formula.
(Interface volume (m - 1 )) = (Volume of reinforcing fibers in continuous fiber-reinforced resin composite material ( m³ )) × (Density of reinforcing fibers (g/ m³ )) × (Number of single fibers of reinforcing fibers) × (Diameter of reinforcing fibers (m)) × π / (Fineness of reinforcing fibers (g/m)) / (Volume of continuous fiber-reinforced resin composite material ( m³ ))
The interface volume is preferably 100,000 m⁻¹ or more, more preferably 120,000 m⁻¹ or more, and even more preferably 130,000 m⁻¹ or more. There is no particular upper limit, but it is preferably 1,000,000 m⁻¹ or less, and more preferably 500,000 m⁻¹ or less.
The larger the interface area of the continuous fiber-reinforced composite material, the smaller the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less tend to be, the larger the number of AE signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1000 μs or less tend to be, and the larger the total AE count tends to be.
連続繊維強化複合材料の昇温速度とは、連続繊維強化複合材料を構成する基材を成形機にセットした後、基材を昇温する速度である。
昇温速度は、200~330℃/分であることが好ましく、230~300℃/分であることがより好ましく、250~280℃/分であることが更に好ましい。
昇温速度が小さいほど、AEカウントAが小さくなる傾向にあり、振幅40dB以上かつ持続時間3,500μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が小さくなる傾向にあり、AEカウントBが大きくなる傾向にある。
The heating rate of a continuous fiber-reinforced composite material refers to the rate at which the substrate material is heated after it has been set in the molding machine.
The heating rate is preferably 200 to 330°C/min, more preferably 230 to 300°C/min, and even more preferably 250 to 280°C/min.
The slower the heating rate, the smaller the AE count A tends to be, the smaller the number of acoustic emission signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3,500 μs or less tends to be, and the larger the AE count B tends to be.
連続繊維強化複合材料の冷却速度とは、連続繊維強化複合材料を構成する基材を成形機にセットし、溶融させて圧縮した後、水冷等により冷却する速度である。
冷却速度は、10~120℃/分であることが好ましく、20~100℃/分であることがより好ましく、30~90℃/分であることが更に好ましい。
冷却速度が小さいほど、AEカウントAが小さくなる傾向にあり、振幅40dB以上かつ持続時間3,500μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1,000μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が大きくなる傾向にあり、AEカウントBが大きくなる傾向にある。
The cooling rate of a continuous fiber-reinforced composite material refers to the rate at which the base material constituting the continuous fiber-reinforced composite material is cooled by water cooling or other means after it has been set in a molding machine, melted, and compressed.
The cooling rate is preferably 10 to 120°C/min, more preferably 20 to 100°C/min, and even more preferably 30 to 90°C/min.
As the cooling rate decreases, the AE count A tends to decrease, the number of acoustic emission signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3,500 μs or less tends to decrease, and the number of acoustic emission signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1,000 μs or less tends to increase, and the AE count B tends to increase.
連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂の結晶化度とは、連続繊維強化複合材料の状態としたときの結晶化度であり、樹脂全体における結晶領域の割合である。
結晶化度は、20~40%であることが好ましく、25~35%であることがより好ましく、28~33%であることが更に好ましい。
結晶化度が低いほど、振幅25~30dBかつ持続時間1,000μ秒以下のアコースティックエミッション信号数が大きくなる傾向にあり、総AE信号数が大きくなる傾向にある。
連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂の結晶化度は、示差走査型熱量計を用いて測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The degree of crystallinity of the resin contained in a continuous fiber-reinforced resin composite material refers to the degree of crystallinity when the material is in its continuous fiber-reinforced composite state, and represents the proportion of crystalline regions in the entire resin.
The degree of crystallinity is preferably 20-40%, more preferably 25-35%, and even more preferably 28-33%.
The lower the degree of crystallinity, the greater the number of acoustic emission signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1,000 μs or less, and the greater the total number of AE signals.
The degree of crystallinity of the resin contained in the continuous fiber-reinforced resin composite material can be measured using a differential scanning calorimeter, and specifically, it can be measured by the method described in the examples below.
連続強化繊維基材の目付とは、連続繊維強化樹脂複合材料の製造に使用する連続強化繊維の基材(繊維クロス等)の1m2当たりの質量である。
連続強化繊維基材の目付は、637g/m2以上であることが好ましく、640~700g/m2であることがより好ましく、650~690g/m2であることが更に好ましい。
連続強化繊維基材の目付が大きいほど、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
The basis weight of a continuous fiber base material refers to the mass per square meter of the continuous fiber base material (such as fiber cloth) used in the manufacture of continuous fiber reinforced resin composite materials.
The basis weight of the continuous reinforced fiber base material is preferably 637 g/ m² or more, more preferably 640 to 700 g/ m² , and even more preferably 650 to 690 g/ m² .
The larger the basis weight of the continuous fiber substrate, the smaller the number of AE signals in the continuous fiber reinforced composite material with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less tends to be, the larger the number of AE signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1000 μs or less tends to be, and the larger the total AE count tends to be.
熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合とは、連続繊維強化樹脂複合材料を製造する際に仕込む原料の全体積に対して、原料の熱可塑性樹脂が占める体積の割合である。
熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は、45%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。また、上限は特に設定されないが、75%以下であることが好ましく、65%以下であることがより好ましい。
熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合が大きいほど、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
The proportion of thermoplastic resin in the raw material volume refers to the ratio of the volume of thermoplastic resin to the total volume of raw materials used in the manufacture of continuous fiber-reinforced resin composite materials.
The proportion of thermoplastic resin in the filling volume is preferably 45% or more, and more preferably 50% or more. There is no particular upper limit, but it is preferably 75% or less, and more preferably 65% or less.
The larger the proportion of thermoplastic resin in the composite material, the smaller the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less tend to be in the continuous fiber-reinforced composite material, the larger the number of AE signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1000 μs or less tend to be, and the larger the total AE count tends to be.
冷却圧縮時間とは、連続繊維強化複合材料を構成する基材を成形機にセットし、溶融させて圧縮した後、水冷等により冷却して圧縮する時間である。
冷却圧縮時間は、1~10分であることが好ましく、2~9分であることがより好ましく、3~8分であることが更に好ましい。
冷却圧縮時間が短いほど、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
Cooling and compression time refers to the time it takes to cool and compress the base material constituting the continuous fiber-reinforced composite material after it has been set in a molding machine, melted, and compressed, using methods such as water cooling.
The cooling and compression time is preferably 1 to 10 minutes, more preferably 2 to 9 minutes, and even more preferably 3 to 8 minutes.
The shorter the cooling and compression time, the smaller the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less tend to be in continuous fiber-reinforced composite materials, the larger the number of AE signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1000 μs or less tend to be, and the larger the total AE count tends to be.
熱可塑性樹脂の末端基濃度とは、樹脂1g中に存在する末端基の物質量である。
熱可塑性樹脂の末端基濃度は、70μmol/g以上であることが好ましく、100~300μmol/gであることが好ましく、120~270μmol/gであることがより好ましい。
熱可塑性樹脂の末端基濃度が高いほど、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
熱可塑性樹脂の末端基濃度は、1H-NMRを用いて測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The end group concentration of a thermoplastic resin is the amount of end groups present in 1 gram of resin.
The end group concentration of the thermoplastic resin is preferably 70 μmol/g or more, preferably 100 to 300 μmol/g, and more preferably 120 to 270 μmol/g.
The higher the end group concentration of the thermoplastic resin, the greater the number of AE signals with an amplitude of 25-30 dB and a duration of 1000 μs or less, and the greater the total AE count tends to be.
The end group concentration of thermoplastic resins can be measured using 1H -NMR, specifically by the method described in the examples below.
連続繊維強化樹脂複合材料は、さらにハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物を射出充填してハイブリッド複合材料としてもよい。ハイブリッド複合材料の製造工程においては、金型内に上記基材をセットして金型を閉じ、加圧し、所定の時間後に、更に所定のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物を射出充填して成形し、基材の熱可塑性樹脂と、所定のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物とを接合させることにより、ハイブリッド複合材料を製造してもよい。 The continuous fiber-reinforced resin composite material may be further injected with a hybrid thermoplastic resin composition to produce a hybrid composite material. In the manufacturing process of the hybrid composite material, the substrate may be set in a mold, the mold closed, pressure applied, and after a predetermined time, a predetermined hybrid thermoplastic resin composition may be injected and molded to bond the thermoplastic resin of the substrate with the predetermined hybrid thermoplastic resin composition, thereby producing the hybrid composite material.
所定のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物を射出充填するタイミングは、両熱可塑性樹脂間の界面強度に大きく影響する。所定のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物を射出充填するタイミングは、基材を金型内にセットして金型を閉じた後に金型温度が基材を構成する熱可塑性樹脂の融点以上又はガラス転移温度以上に昇温してから、30秒以内が好ましい。
所定のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物を射出充填する時の金型温度は、ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物と接合する、基材を構成する熱可塑性樹脂の融点以上又はガラス転移温度以上であることが好ましい。より好ましくは、ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物と接合する、基材を構成する熱可塑性樹脂の融点+10℃以上又はガラス転移温度+10℃以上であり、更に好ましくは、融点+20℃以上又はガラス転移温度+20℃以上、更により好ましくは融点+30℃以上又はガラス転移温度+30℃以上である。
The timing of injection filling of the predetermined hybrid thermoplastic resin composition greatly affects the interfacial strength between the two thermoplastic resins. Preferably, the injection filling of the predetermined hybrid thermoplastic resin composition should be done within 30 seconds after the mold temperature has risen above the melting point or glass transition temperature of the thermoplastic resin constituting the substrate, after the substrate has been set in the mold and the mold has been closed.
The mold temperature when injecting and filling a predetermined hybrid thermoplastic resin composition is preferably above the melting point or glass transition temperature of the thermoplastic resin constituting the substrate to which the hybrid thermoplastic resin composition is bonded. More preferably, it is above the melting point + 10°C or glass transition temperature + 10°C of the thermoplastic resin constituting the substrate to which the hybrid thermoplastic resin composition is bonded, even more preferably above the melting point + 20°C or glass transition temperature + 20°C, and even more preferably above the melting point + 30°C or glass transition temperature + 30°C.
ハイブリッド複合材料において、基材を構成する熱可塑性樹脂と、射出成形により形成されたハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物との接合部分は、互いに混じり合った凹凸構造となっていることが好ましい。
金型温度を射出するハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物の融点以上とし、射出成形時の樹脂保圧を高く、例えば、1MPa以上とすることは、界面強度を高める上で有効である。界面強度を高めるためには、上記保圧を5MPa以上とすることが好ましく、10MPa以上とすることがより好ましい。
また、保圧時間を長く、例えば5秒以上、好ましくは10秒以上、より好ましくは金型温度が熱可塑性樹脂組成物の融点以下になるまでの間の時間保持することは、界面強度を高める観点から好ましい。
In hybrid composite materials, it is preferable that the joint between the thermoplastic resin constituting the base material and the hybrid thermoplastic resin composition formed by injection molding has a mixed uneven structure.
Setting the mold temperature above the melting point of the hybrid thermoplastic resin composition to be injected, and increasing the resin holding pressure during injection molding, for example to 1 MPa or more, is effective in increasing interfacial strength. To further increase interfacial strength, it is preferable to set the holding pressure to 5 MPa or more, and more preferably to 10 MPa or more.
Furthermore, extending the holding time, for example 5 seconds or more, preferably 10 seconds or more, and more preferably until the mold temperature falls below the melting point of the thermoplastic resin composition, is preferable from the viewpoint of increasing interfacial strength.
(ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物)
ハイブリッド複合材料を製造するために用いる射出成形用のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物としては、一般の射出成形に使用される熱可塑性樹脂組成物であれば、特に限定されない。
ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、スチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、全芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミド系樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン等の熱可塑性樹脂の一種又は二種以上を混合した混合物などが挙げられる。
(Thermoplastic resin composition for hybrid applications)
The hybrid thermoplastic resin composition used for injection molding to manufacture hybrid composite materials is not particularly limited, as long as it is a thermoplastic resin composition used in general injection molding.
The thermoplastic resins included in the hybrid thermoplastic resin composition are not limited to the following, but include, for example, one or more thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, acrylic resin, styrene resin, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyarylate, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether resin, fully aromatic polyester, polyacetal, polycarbonate, polyetherimide, polyethersulfone, polyamide resin, polysulfone, polyetheretherketone, and polyetherketone, as well as mixtures of two or more such thermoplastic resins.
ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物には、各種充填材が配合されていてもよい。ハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物は、着色剤を含む、黒色の樹脂組成物としてよい。
各種充填材としては、上記連続強化繊維と同種の材料の不連続強化材料である短繊維、長繊維材料等が挙げられる。
不連続強化材料にガラス短繊維、長繊維を用いる場合、本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料を構成する上記連続強化繊維に塗布される集束剤と同様のもの用いてもよい。集束剤(サイジング剤)は、シランカップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなることが好ましい。シランカップリング剤、潤滑剤、結束剤の種類に関しては、上記連続強化繊維の集束剤と同様のものが使用できる。
The thermoplastic resin composition for hybrid applications may contain various fillers. The thermoplastic resin composition for hybrid applications may be a black resin composition containing a coloring agent.
Examples of fillers include short fibers, long fibers, and other discontinuous reinforcing materials of the same type as the continuous reinforcing fibers mentioned above.
When using short or long glass fibers in the discontinuous reinforcement material, the same sizing agent as that applied to the continuous reinforcing fibers constituting the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment may be used. The sizing agent (sizing agent) preferably consists of a silane coupling agent, a lubricant, and a binding agent. The types of silane coupling agent, lubricant, and binding agent can be the same as those used for the sizing agent of the continuous reinforcing fibers described above.
射出成形に用いるハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂は、接合する熱可塑性樹脂との界面強度の観点から、連続繊維強化樹脂複合材料を構成する接合面の熱可塑性樹脂と類似のものが好ましく、同種類のものがより好ましい。具体的には、接合面の熱可塑性樹脂にポリアミド66を用いた場合には、射出成形用のハイブリッド用熱可塑性樹脂組成物の樹脂材料は、ポリアミド66が好ましい。 The thermoplastic resin included in the hybrid thermoplastic resin composition used for injection molding is preferably similar to, and more preferably of the same type as, the thermoplastic resin at the bonding surface constituting the continuous fiber-reinforced resin composite material, from the viewpoint of interfacial strength with the bonding thermoplastic resin. Specifically, when polyamide 66 is used as the thermoplastic resin at the bonding surface, the resin material of the hybrid thermoplastic resin composition for injection molding is preferably polyamide 66.
その他の方法として、基材を金型に設置してダブルベルトプレス機により圧縮する成形方法や、設置した基材の四方を囲むように型枠を設置し、ダブルベルトプレス機により加圧し成形する方法や、一つ又は複数の温度に設定した加熱用の圧縮成形機と、一つ又は複数の温度に設定した冷却用の圧縮成形機を用意し、基材を設置した金型を順番に、圧縮成形機に投入して成形する成形方法等が挙げられる。 Other methods include molding methods in which the base material is placed in a mold and compressed by a double-belt press, molding methods in which a mold frame is set up to surround the placed base material on all four sides and molded by pressurizing with a double-belt press, and molding methods in which one or more heating compression molding machines set to different temperatures and one or more cooling compression molding machines set to different temperatures are prepared, and the molds containing the base material are sequentially fed into the compression molding machines for molding.
(連続強化繊維)
連続強化繊維としては、通常の連続繊維強化樹脂複合材料に使用されるものを用いてよい。
連続強化繊維としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、植物繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、セラミックス繊維等が挙げられる。
機械的特性、熱的特性、汎用性の観点から、ガラス繊維、炭素繊維、植物繊維、アラミド繊維が好ましく、生産性の面からは、ガラス繊維が好ましい。
上記連続強化繊維は、1種単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。
(Continuously reinforced fiber)
As the continuous reinforcing fibers, those commonly used in continuous fiber-reinforced resin composite materials may be used.
Examples of continuous reinforcing fibers include, but are not limited to, glass fibers, carbon fibers, plant fibers, aramid fibers, ultra-high-strength polyethylene fibers, polybenzazole fibers, liquid crystal polyester fibers, polyketone fibers, metal fibers, and ceramic fibers.
From the viewpoints of mechanical properties, thermal properties, and versatility, glass fibers, carbon fibers, plant fibers, and aramid fibers are preferred, and from the viewpoint of productivity, glass fibers are preferred.
The above-mentioned continuous reinforcing fibers may be used individually or in combination of two or more types.
-集束剤-
連続強化繊維として、ガラス繊維を選択する場合、集束剤を用いてもよい。
集束剤(サイジング剤)は、シランカップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなる群から選択される1種以上を含むものであってよく、少なくとも結束剤又はシランカップリング剤を含むことが好ましい。
また、集束剤は、シランカップリング剤及び結束剤からなるものとしてよく、シランカップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなるものとしてもよい。
ガラス繊維とその周りを被膜する樹脂との強い結合を作る集束剤であることにより、空隙率の少ない連続繊維強化樹脂複合材料を得ることができる。
集束剤は、使用される材料に対して外的に加えられてもよく、使用される材料に内的に含まれていてもよい。例えば、潤滑剤は、用いられる熱可塑性樹脂の市販品に含まれている場合がある。
- Focusing agent -
When glass fibers are selected as the continuous reinforcing fibers, a sizing agent may be used.
The sizing agent may contain one or more selected from the group consisting of silane coupling agents, lubricants, and binding agents, and it is preferable that it contains at least a binding agent or a silane coupling agent.
Furthermore, the sizing agent may consist of a silane coupling agent and a binding agent, or it may consist of a silane coupling agent, a lubricant, and a binding agent.
By acting as a sizing agent that creates a strong bond between glass fibers and the resin coating surrounding them, it is possible to obtain a continuous fiber-reinforced resin composite material with a low porosity.
The sizing agent may be added externally to the material being used, or it may be contained internally within the material being used. For example, a lubricant may be included in a commercially available thermoplastic resin being used.
--シランカップリング剤--
シランカップリング剤は、通常、ガラス繊維の表面処理剤として用いられ、界面接着強度向上に寄与する。
シランカップリング剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-β-(アミノエチル)-γ-アミノプロピルメチルジメトキシシラン等のアミノシラン類;γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン及びγ-メルカプトプロピルトリエトキシシラン等のメルカプトシラン類;エポキシシラン類;ビニルシラン類、マレイン酸類等が挙げられる。熱可塑性樹脂としてポリアミドを用いる際には、ポリアミド系樹脂の末端基であるカルボキシル基またはアミノ基と結合しやすいものを選択することが好ましく、アミノシラン類が好ましい。
--Silane coupling agent--
Silane coupling agents are typically used as surface treatment agents for glass fibers and contribute to improving interfacial adhesion strength.
Examples of silane coupling agents include, but are not limited to, aminosilanes such as γ-aminopropyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, and N-β-(aminoethyl)-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane; mercaptosilanes such as γ-mercaptopropyltrimethoxysilane and γ-mercaptopropyltriethoxysilane; epoxysilanes; vinylsilanes; maleic acids, etc. When using polyamide as a thermoplastic resin, it is preferable to select one that readily bonds with carboxyl groups or amino groups, which are terminal groups of polyamide resins, and aminosilanes are preferred.
--潤滑剤--
潤滑剤は、ガラス繊維の開繊性向上に寄与する。
潤滑剤としては、シランカップリング剤及び結束剤を阻害しない限り、目的に応じた通常の液体又は固体の任意の潤滑材料が使用可能であり、以下に限定されるものではないが、例えば、カルナウバワックスやラノリンワックス等の動植物系又は鉱物系のワックス;脂肪酸アミド、脂肪酸エステル、脂肪酸エーテル、芳香族系エステル、芳香族系エーテル等の界面活性剤等が挙げられる。
--Lubricant--
The lubricant contributes to improving the fiber-opening properties of glass fibers.
As a lubricant, any ordinary liquid or solid lubricating material can be used depending on the purpose, as long as it does not inhibit the silane coupling agent and binding agent. Examples of such lubricants include, but are not limited to, animal or plant-based waxes such as carnauba wax and lanolin wax; and surfactants such as fatty acid amides, fatty acid esters, fatty acid ethers, aromatic esters, and aromatic ethers.
--結束剤--
結束剤は、ガラス繊維の集束性向上及び界面接着強度向上に寄与する。
結束剤としては、目的に応じたポリマー、連続繊維強化樹脂複合材料の主たる材料としての熱可塑性樹脂以外の熱可塑性樹脂が使用可能である。
結束剤としてのポリマーは、以下に限定されるものではないが、例えば、アクリル酸のホモポリマー、アクリル酸とその他共重合性モノマーとのコポリマー、並びにこれらの第1級、第2級及び第3級アミンとの塩等が挙げられる。また、例えば、m-キシリレンジイソシアナート、4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアナート)及びイソホロンジイソシアナート等のイソシアネートと、ポリエステル系やポリエーテル系のジオールとから合成されるポリウレタン系樹脂も好適に使用される。
アクリル酸のホモポリマーとしては、重量平均分子量1,000~90,000であることが好ましく、より好ましくは1,000~25,000である。
アクリル酸とその他共重合性モノマーとのコポリマーを構成する共重合性モノマーとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、水酸基及び/又はカルボキシル基を有するモノマーのうち、アクリル酸、マレイン酸、メタクリル酸、ビニル酢酸、クロトン酸、イソクロトン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、及びメサコン酸よりなる群から選択される1種以上が挙げられる(但し、アクリル酸のみの場合を除く)。共重合性モノマーとして、エステル系モノマーを1種以上有することが好ましい。
アクリル酸のホモポリマー及びコポリマーの第1級、第2級及び第3級アミンとの塩としては、以下に限定されるものではないが、例えば、トリエチルアミン塩、トリエタノールアミン塩やグリシン塩等が挙げられる。中和度は、他の併用薬剤(シランカップリング剤等)との混合溶液の安定性向上や、アミン臭低減の観点から、20~90%とすることが好ましく、40~60%とすることがより好ましい。
塩を形成するアクリル酸のポリマーの重量平均分子量は、特に制限されないが、3,000~50,000の範囲が好ましい。ガラス繊維の集束性向上の観点から、3,000以上が好ましく、複合成形体とした際の特性向上の観点から50,000以下が好ましい。
熱可塑性樹脂としてポリアミドを用いる際には、結束剤としてはポリアミド樹脂と濡れ性のよい、又は表面張力の近い樹脂を用いることが好ましい。具体的には、例えば、ポリウレタン樹脂のエマルジョンやポリアミド樹脂のエマルジョンやその変性体を選択することができる。
--Binding agent--
The binding agent contributes to improving the bundleability of glass fibers and enhancing the interfacial adhesion strength.
As a binding agent, a polymer suitable for the purpose, or a thermoplastic resin other than the thermoplastic resin used as the main material in continuous fiber-reinforced resin composite materials, can be used.
Polymers used as binding agents are not limited to the following, but examples include homopolymers of acrylic acid, copolymers of acrylic acid and other copolymerizable monomers, and salts thereof with primary, secondary, and tertiary amines. In addition, polyurethane resins synthesized from isocyanates such as m-xylylene diisocyanate, 4,4'-methylenebis(cyclohexyl isocyanate), and isophorone diisocyanate, and polyester or polyether diols are also suitably used.
The acrylic acid homopolymer preferably has a weight-average molecular weight of 1,000 to 90,000, and more preferably 1,000 to 25,000.
The copolymerizable monomers constituting the copolymer of acrylic acid and other copolymerizable monomers are not limited to the following, but include, for example, one or more monomers having a hydroxyl group and/or carboxyl group, selected from the group consisting of acrylic acid, maleic acid, methacrylic acid, vinyl acetic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, fumaric acid, itaconic acid, citraconic acid, and mesaconic acid (except in the case of acrylic acid alone). It is preferable to have one or more ester monomers as copolymerizable monomers.
The salts of acrylic acid homopolymers and copolymers with primary, secondary, and tertiary amines are not limited to the following, but examples include triethylamine salts, triethanolamine salts, and glycine salts. The degree of neutralization is preferably 20-90%, and more preferably 40-60%, from the viewpoint of improving the stability of the mixed solution with other concomitant agents (such as silane coupling agents) and reducing amine odor.
The weight-average molecular weight of the acrylic acid polymer that forms the salt is not particularly limited, but is preferably in the range of 3,000 to 50,000. From the viewpoint of improving the bundling properties of the glass fibers, it is preferably 3,000 or more, and from the viewpoint of improving the properties when a composite molded article is formed, it is preferably 50,000 or less.
When using polyamide as the thermoplastic resin, it is preferable to use a resin with good wettability or a surface tension similar to that of the polyamide resin as the binding agent. Specifically, for example, polyurethane resin emulsions, polyamide resin emulsions, or modified versions thereof can be selected.
結束剤として用いられる熱可塑性樹脂としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、熱可塑性フッ素系樹脂、及びこれらを変性させた変性熱可塑性樹脂等が挙げられる。結束剤として用いられる熱可塑性樹脂は、連続強化繊維の周囲を被覆する樹脂と同種の熱可塑性樹脂及び/又は変性熱可塑性樹脂であると、複合材料となった後、ガラス繊維と熱可塑性樹脂の接着性が向上し、好ましい。 The thermoplastic resins used as binding agents are not limited to the following, but examples include polyolefin resins, polyamide resins, polyurethane resins, polyacetal resins, polycarbonate resins, polyester resins, polyether ketones, polyether ether ketones, polyether sulfones, polyphenylene sulfide, thermoplastic polyetherimide, thermoplastic fluorine resins, and modified thermoplastic resins obtained by modifying these. It is preferable that the thermoplastic resin used as a binding agent is the same type of thermoplastic resin and/or modified thermoplastic resin as the resin covering the continuous reinforcing fibers, as this improves the adhesion between the glass fibers and the thermoplastic resin after the composite material is formed.
更に、一層、連続強化繊維とそれを被覆する熱可塑性樹脂の接着性を向上させ、集束剤を水分散体としてガラス繊維に付着させる場合において、乳化剤成分の比率を低減、あるいは乳化剤不要とできる等の観点から、結束剤として用いられる熱可塑性樹脂としては、変性熱可塑性樹脂が好ましい。
ここで、変性熱可塑性樹脂とは、熱可塑性樹脂の主鎖を形成し得るモノマー成分以外に、その熱可塑性樹脂の性状を変化させる目的で、異なるモノマー成分を共重合させ、親水性、結晶性、熱力学特性等を改質したものを意味する。
結束剤として用いられる変性熱可塑性樹脂は、以下に限定されるものではないが、例えば、変性ポリオレフィン系樹脂、変性ポリアミド系樹脂、変性ポリエステル系樹脂等が挙げられる。
Furthermore, to further improve the adhesion between the continuous reinforcing fibers and the thermoplastic resin coating them, and to allow for a reduction in the ratio of emulsifier components or even elimination of the need for emulsifiers when the sizing agent is attached to the glass fibers as an aqueous dispersion, a modified thermoplastic resin is preferred as the thermoplastic resin used as the sizing agent.
Here, a modified thermoplastic resin refers to a thermoplastic resin in which, in addition to the monomer components that can form the main chain of the thermoplastic resin, different monomer components are copolymerized with the purpose of changing the properties of the thermoplastic resin, thereby modifying its hydrophilicity, crystallinity, thermodynamic properties, etc.
Modified thermoplastic resins used as binding agents are not limited to the following, but examples include modified polyolefin resins, modified polyamide resins, and modified polyester resins.
結束剤としての変性ポリオレフィン系樹脂とは、エチレン、プロピレン等のオレフィン系モノマーと不飽和カルボン酸及び/又はそのエステル体等のオレフィン系モノマーと共重合可能なモノマーとの共重合体、又は、不飽和カルボン酸及び/又そのエステル体等のオレフィン系モノマーと共重合可能なモノマーの単独重合体であり、公知の方法で製造できる。オレフィン系モノマーと不飽和カルボン酸及び/又そのエステル体とを共重合させたランダム共重合体でもよいし、オレフィンに不飽和カルボン酸をグラフトしたグラフト共重合体でもよい。
オレフィン系モノマーとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン等が挙げられる。これらは1種のみを単独で使用してもよく、あるいは2種以上を組み合わせて使用してもよい。
オレフィン系モノマーと共重合可能なモノマーとしては、例えば、アクリル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、メタクリル酸、ビニル酢酸、クロトン酸、イソクロトン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、メサコン酸等の不飽和カルボン酸、及びこれら不飽和カルボン酸のエステル化体(メチルエステル、エチルエステル等)等が挙げられ、これらは、1種のみを単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
変性ポリオレフィン系樹脂がオレフィン系モノマーと該オレフィン系モノマーと共重合可能なモノマーとの共重合である場合、モノマー比率としては、共重合の合計質量を100質量%として、オレフィン系モノマー60~95質量%、オレフィン系モノマーと共重合可能なモノマー5~40質量%であることが好ましく、オレフィン系モノマー70~85質量%、オレフィン系モノマーと共重合可能なモノマー15~30質量%であることがより好ましい。オレフィン系モノマーが60質量%以上であれば、マトリックスとの親和性が良好であり、また、オレフィン系モノマーの質量%が95質量%以下であれば、変性ポリオレフィン系樹脂の水分散性が良好で、連続強化繊維への均一付与が行いやすい。
Modified polyolefin resins used as binding agents are copolymers of olefin monomers such as ethylene and propylene with monomers copolymerizable with olefin monomers, such as unsaturated carboxylic acids and/or their esters, or homopolymers of monomers copolymerizable with olefin monomers, such as unsaturated carboxylic acids and/or their esters, and can be produced by known methods. They may be random copolymers obtained by copolymerizing olefin monomers with unsaturated carboxylic acids and/or their esters, or graft copolymers obtained by grafting unsaturated carboxylic acids onto olefins.
Examples of olefin monomers include, but are not limited to, ethylene, propylene, and 1-butene. These may be used individually or in combination of two or more.
Examples of monomers copolymerizable with olefin monomers include unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid, maleic acid, maleic anhydride, methacrylic acid, vinylacetic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, fumaric acid, itaconic acid, citraconic acid, and mesaconic acid, as well as esterified products of these unsaturated carboxylic acids (methyl esters, ethyl esters, etc.). These may be used individually or in combination of two or more.
When a modified polyolefin resin is a copolymer of an olefin monomer and a monomer copolymerizable with the olefin monomer, the monomer ratio is preferably 60 to 95% by mass of the olefin monomer and 5 to 40% by mass of the monomer copolymerizable with the olefin monomer, with the total mass of the copolymer being 100% by mass, and more preferably 70 to 85% by mass of the olefin monomer and 15 to 30% by mass of the monomer copolymerizable with the olefin monomer. If the olefin monomer is 60% by mass or more, the affinity with the matrix is good, and if the mass percentage of the olefin monomer is 95% by mass or less, the water dispersibility of the modified polyolefin resin is good, making it easy to uniformly apply it to continuous reinforcing fibers.
結束剤として用いられる変性ポリオレフィン系樹脂は、共重合により導入したカルボキシル基等の変性基が、塩基性化合物で中和されていてもよい。塩基性化合物としては、以下に限定されるものではないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ類;アンモニア;モノエタノールアミン、ジエタノールアミン等のアミン類が挙げられる。結束剤として用いられる変性ポリオレフィン系樹脂の重量平均分子量は、特に制限されないが、5,000~200,000が好ましく、50,000~150,000がより好ましい。ガラス繊維の集束性向上の観点から5,000以上が好ましく、水分散性とする場合の乳化安定性の観点から200,000以下が好ましい。 The modified polyolefin resin used as a binding agent may have modified groups, such as carboxyl groups, introduced by copolymerization, neutralized with a basic compound. Examples of basic compounds, though not limited to those listed below, include alkalis such as sodium hydroxide and potassium hydroxide; ammonia; and amines such as monoethanolamine and diethanolamine. The weight-average molecular weight of the modified polyolefin resin used as a binding agent is not particularly limited, but is preferably 5,000 to 200,000, and more preferably 50,000 to 150,000. From the viewpoint of improving the bundling properties of glass fibers, a molecular weight of 5,000 or higher is preferred, and from the viewpoint of emulsification stability when water dispersibility is required, a molecular weight of 200,000 or lower is preferred.
結束剤として用いられる変性ポリアミド系樹脂は、分子鎖中にポリアルキレンオキサイド鎖や3級アミン成分等の親水基を導入した変性ポリアミド化合物であり、公知の方法で製造できる。
分子鎖中にポリアルキレンオキサイド鎖を導入する場合は、例えば、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコール等の一部又は全部をジアミン又はジカルボン酸に変性したものを共重合して製造される。3級アミン成分を導入する場合は、例えばアミノエチルピペラジン、ビスアミノプロピルピペラジン、α-ジメチルアミノε-カプロラクタム等を共重合して製造される。
Modified polyamide resins used as binding agents are modified polyamide compounds in which hydrophilic groups such as polyalkylene oxide chains or tertiary amine components are introduced into the molecular chain, and can be manufactured by known methods.
When introducing polyalkylene oxide chains into the molecular chain, they are produced by copolymerizing, for example, polyethylene glycol or polypropylene glycol, in part or all of which have been modified with diamines or dicarboxylic acids. When introducing tertiary amine components, they are produced by copolymerizing, for example, aminoethylpiperazine, bisaminopropylpiperazine, or α-dimethylaminoε-caprolactam.
結束剤として用いられる変性ポリエステル系樹脂とは、ポリカルボン酸又はその無水物とポリオールとの共重合体で、かつ末端を含む分子骨格中に親水基を有する樹脂であり、公知の方法で製造できる。
親水基としては、例えば、ポリアルキレンオキサイド基、スルホン酸塩、カルボキシル基、これらの中和塩等が挙げられる。ポリカルボン酸又はその無水物としては、芳香族ジカルボン酸、スルホン酸塩含有芳香族ジカルボン酸、脂肪族ジカルボン酸、脂環式ジカルボン酸、3官能以上のポリカルボン酸等が挙げられる。
芳香族ジカルボン酸としては、以下に限定されるものではないが、例えば、フタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸、オルトフタル酸、1,5-ナフタレンジカルボン酸、2,6-ナフタレンジカルボン酸、無水フタル酸等が挙げられる。
スルホン酸塩含有芳香族ジカルボン酸としては、以下に限定されるものではないが、例えば、スルホテレフタル酸塩、5-スルホイソフタル酸塩、5-スルホオルトフタル酸塩等が挙げられる。
脂肪族ジカルボン酸又は脂環式ジカルボン酸としては、以下に限定されるものではないが、例えば、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ダイマー酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、無水コハク酸、無水マレイン酸等が挙げられる。
3官能以上のポリカルボン酸としては、以下に限定されるものではないが、例えば、トリメリット酸、ピロメリット酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等が挙げられる。
これらの中で、変性ポリエステル系樹脂の耐熱性を向上させる観点から、全ポリカルボン酸成分の40~99モル%が芳香族ジカルボン酸であることが好ましい。また、変性ポリエステル系樹脂を水分散液とする場合の乳化安定性の観点から、全ポリカルボン酸成分の1~10モル%がスルホン酸塩含有芳香族ジカルボン酸であることが好ましい。
Modified polyester resins used as binding agents are copolymers of polycarboxylic acid or its anhydride with polyols, and are resins having hydrophilic groups in their molecular skeleton, including the terminals, and can be manufactured by known methods.
Examples of hydrophilic groups include polyalkylene oxide groups, sulfonates, carboxyl groups, and their neutralized salts. Examples of polycarboxylic acids or their anhydrides include aromatic dicarboxylic acids, sulfonate-containing aromatic dicarboxylic acids, aliphatic dicarboxylic acids, alicyclic dicarboxylic acids, and polycarboxylic acids with three or more functions.
Examples of aromatic dicarboxylic acids include, but are not limited to, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, orthophthalic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, and phthalic anhydride.
Examples of sulfonate-containing aromatic dicarboxylic acids include, but are not limited to, sulfoterephthalate, 5-sulfoisophthalate, and 5-sulforthophthalate.
Examples of aliphatic dicarboxylic acids or alicyclic dicarboxylic acids include, but are not limited to, fumaric acid, maleic acid, itaconic acid, succinic acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, dimer acid, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, succinic anhydride, maleic anhydride, and the like.
Examples of polycarboxylic acids with three or more functionalities include, but are not limited to, trimellitic acid, pyromellitic acid, trimellitic anhydride, and pyromellitic anhydride.
Among these, from the viewpoint of improving the heat resistance of the modified polyester resin, it is preferable that 40 to 99 mol% of the total polycarboxylic acid component is an aromatic dicarboxylic acid. Furthermore, from the viewpoint of emulsification stability when the modified polyester resin is dispersed in water, it is preferable that 1 to 10 mol% of the total polycarboxylic acid component is a sulfonate-containing aromatic dicarboxylic acid.
変性ポリエステル系樹脂を構成するポリオールとしては、ジオール、3官能以上のポリオール等が挙げられる。
ジオールとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ポリテトラメチレングリコール、1,4-シクロヘキサンジオール、1,4-シクロヘキサンジメタノール、ビスフェノールA又はそのアルキレンオキサイド付加物等が挙げられる。3官能以上のポリオールとしては、トリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトール等が挙げられる。
Examples of polyols that make up modified polyester resins include diols and polyols with three or more functionalities.
Examples of diols, but not limited to those listed below, include ethylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol, polytetramethylene glycol, 1,4-cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, bisphenol A or its alkylene oxide adducts. Examples of polyols with three or more functions include trimethylolpropane, glycerin, and pentaerythritol.
変性ポリエステル系樹脂を構成するポリカルボン酸又はその無水物とポリオールとの共重合比率としては、共重合成分の合計質量を100質量%として、ポリカルボン酸又はその無水物40~60質量%、ポリオール40~60質量%であることが好ましく、ポリカルボン酸又はその無水物45~55質量%、ポリオール45~55質量%がより好ましい。
変性ポリエステル系樹脂の重量平均分子量としては、3,000~100,000が好ましく、10,000~30,000がより好ましい。ガラス繊維の集束性向上の観点から3,000以上が好ましく、水分散性とする場合の乳化安定性の観点から100,000以下が好ましい。
The copolymerization ratio of polycarboxylic acid or its anhydride and polyol constituting the modified polyester resin is preferably 40-60% by mass of polycarboxylic acid or its anhydride and 40-60% by mass of polyol, with the total mass of copolymerized components being 100% by mass, and more preferably 45-55% by mass of polycarboxylic acid or its anhydride and 45-55% by mass of polyol.
The weight-average molecular weight of the modified polyester resin is preferably 3,000 to 100,000, and more preferably 10,000 to 30,000. From the viewpoint of improving the bundling properties of glass fibers, it is preferable to have a molecular weight of 3,000 or more, and from the viewpoint of emulsion stability when water dispersibility is required, it is preferable to have a molecular weight of 100,000 or less.
結束剤として用いる、ポリマー、熱可塑性樹脂は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
結束剤の全量を100質量%として、アクリル酸のホモポリマー、アクリル酸とその他共重合性モノマーとのコポリマー、並びにこれらの第1級、第2級及び第3級アミンとの塩より選択された1種以上のポリマーを50質量%以上用いることが好ましく、60質量%以上用いることがより好ましい。
The polymers and thermoplastic resins used as binding agents may be used individually or in combination of two or more types.
It is preferable to use 50% or more by mass of one or more polymers selected from acrylic acid homopolymers, copolymers of acrylic acid and other copolymerizable monomers, and salts thereof with primary, secondary, and tertiary amines, with the total amount of the binding agent being 100% by mass, and more preferably 60% or more by mass.
集束剤が、シランカップリング剤及び結束剤からなる場合、集束剤は、ガラス繊維100質量%に対し、シランカップリング剤及び結束剤の合計質量として、好ましくは0.1~3質量%、より好ましくは0.2~2質量%、更に好ましくは0.2~1質量%付与して付着させる。ガラス繊維の集束性制御と界面接着強度向上の観点から、集束剤の付着量が、ガラス繊維100質量%に対し、シランカップリング剤及び結束剤の合計質量として0.1質量%以上であることが好ましく、糸の取扱い性の観点から3質量%以下であることが好ましい。
また、集束剤が、シランカップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなる場合、集束剤は、ガラス繊維100質量%に対し、シランカップリング剤、潤滑剤及び結束剤の合計質量として、好ましくは0.1~3質量%、より好ましくは0.2~2質量%、更に好ましくは0.2~1質量%付与して付着させる。ガラス繊維の集束性制御と界面接着強度向上の観点から、集束剤の付着量が、ガラス繊維100質量%に対し、シランカップリング剤、潤滑剤及び結束剤の合計質量として0.1質量%以上であることが好ましく、糸の取扱い性の観点から3質量%以下であることが好ましい。
When the sizing agent consists of a silane coupling agent and a binding agent, the sizing agent is applied and attached to the glass fibers in an amount of 0.1 to 3% by mass, more preferably 0.2 to 2% by mass, and even more preferably 0.2 to 1% by mass, based on 100% by mass of glass fibers, as the total mass of the silane coupling agent and binding agent. From the viewpoint of controlling the bundling properties of the glass fibers and improving the interfacial adhesion strength, it is preferable that the amount of sizing agent applied is 0.1% by mass or more, based on 100% by mass of glass fibers, as the total mass of the silane coupling agent and binding agent, and from the viewpoint of ease of handling the yarn, it is preferable that it is 3% by mass or less.
Furthermore, when the sizing agent consists of a silane coupling agent, a lubricant, and a binder, the sizing agent is applied and attached to the glass fibers in an amount of 0.1 to 3% by mass, more preferably 0.2 to 2% by mass, and even more preferably 0.2 to 1% by mass, based on 100% by mass of glass fibers, as the total mass of the silane coupling agent, lubricant, and binder. From the viewpoint of controlling the bundling properties of the glass fibers and improving the interfacial adhesion strength, it is preferable that the amount of sizing agent applied is 0.1% by mass or more, based on 100% by mass of glass fibers, as the total mass of the silane coupling agent, lubricant, and binder, and from the viewpoint of ease of handling the yarn, it is preferable that it is 3% by mass or less.
--ガラス繊維用の集束剤の組成--
ガラス繊維用の集束剤におけるシランカップリング剤の配合量は、ガラス繊維の集束性向上及び界面接着強度向上と複合成形体の機械的強度向上との観点から、0.1~2質量%が好ましく、より好ましくは0.1~1質量%、更に好ましくは0.2~0.5質量%である。
ガラス繊維用の集束剤における潤滑剤の配合量は、充分な潤滑性を与えるという観点から、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上であり、界面接着強度向上と複合成形体の機械的強度向上の観点から、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下である。
ガラス繊維用の集束剤における結束剤の配合量は、ガラス繊維の集束性制御及び界面接着強度向上と複合成形体の機械的強度向上との観点から、好ましくは1~25質量%、より好ましくは3~15質量%、更に好ましくは3~10質量%である。
--Composition of the sizing agent for glass fibers--
The amount of silane coupling agent in a sizing agent for glass fibers is preferably 0.1 to 2% by mass, more preferably 0.1 to 1% by mass, and even more preferably 0.2 to 0.5% by mass, from the viewpoint of improving the bundling properties of glass fibers, improving interfacial adhesion strength, and improving the mechanical strength of the composite molded article.
The amount of lubricant in a fiber sizing agent for glass fibers is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.02% by mass or more, from the viewpoint of providing sufficient lubricity, and preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, from the viewpoint of improving interfacial adhesion strength and the mechanical strength of the composite molded article.
The amount of binding agent in a sizing agent for glass fibers is preferably 1 to 25% by mass, more preferably 3 to 15% by mass, and even more preferably 3 to 10% by mass, from the viewpoint of controlling the sizing properties of glass fibers, improving interfacial adhesion strength, and improving the mechanical strength of the composite molded article.
連続強化繊維としてガラス繊維を用いる場合であって、集束剤が、シランカップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなる場合、当該ガラス繊維の集束剤においては、それぞれ、シランカップリング剤を0.1~2質量%、潤滑剤を0.01~1質量%、結束剤を1~25質量%を含有することが好ましく、これらの成分を水で希釈し、全質量を100質量%に調整することが好ましい。 When glass fibers are used as continuous reinforcing fibers, and the sizing agent consists of a silane coupling agent, a lubricant, and a binding agent, it is preferable that the glass fiber sizing agent contains 0.1 to 2% by mass of the silane coupling agent, 0.01 to 1% by mass of the lubricant, and 1 to 25% by mass of the binding agent, respectively. It is also preferable to dilute these components with water to adjust the total mass to 100% by mass.
--ガラス繊維用の集束剤の使用態様--
ガラス繊維用の集束剤は、使用態様に応じて、水溶液、コロイダルディスパージョンの形態、乳化剤を用いたエマルジョンの形態等、いずれの形態に調整してもよいが、集束剤の分散安定性向上、耐熱性向上の観点から、水溶液の形態とすることが好ましい。
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料を構成する連続強化繊維としてのガラス繊維は、上述した集束剤を、公知のガラス繊維の製造工程において、ローラー型アプリケーター等の公知の方法を用いて、ガラス繊維に付与して製造したガラス繊維を乾燥することによって連続的に得られる。
--Method of use of fiber sizing agent for glass fibers--
The sizing agent for glass fibers may be prepared in any form, such as an aqueous solution, a colloidal dispersion, or an emulsion using an emulsifier, depending on the intended use. However, from the viewpoint of improving the dispersion stability and heat resistance of the sizing agent, it is preferable to use it in the form of an aqueous solution.
The glass fibers, which constitute the continuous reinforcing fibers of the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment, are continuously obtained by applying the above-mentioned sizing agent to the glass fibers using a known method such as a roller-type applicator in a known glass fiber manufacturing process, and then drying the manufactured glass fibers.
また、連続強化繊維として、炭素繊維を選択した場合も同様に、集束剤を用いてもよく、集束剤は、カップリング剤、潤滑剤、及び結束剤からなることが好ましい。カップリング剤としては炭素繊維の表面に存在する水酸基と相性の良いもの、結束剤としては選択した熱可塑性樹脂と濡れ性が良いものや表面張力の近いもの、潤滑剤としてはカップリング剤と結束剤を阻害しないものを選択することができる。
炭素繊維に用いる集束剤の種類については、特に制限はなく、公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、特開2015-101794号公報に記載のものを用いることができる。
Similarly, when carbon fibers are selected as the continuous reinforcing fibers, a sizing agent may also be used, and the sizing agent preferably consists of a coupling agent, a lubricant, and a binding agent. The coupling agent can be selected to have good compatibility with the hydroxyl groups present on the surface of the carbon fibers, the binding agent can be selected to have good wettability with the selected thermoplastic resin or to have a similar surface tension, and the lubricant can be selected to not inhibit the coupling agent and binding agent.
There are no particular restrictions on the type of sizing agent used for carbon fibers; known types can be used. Specifically, for example, the type described in Japanese Patent Publication No. 2015-101794 can be used.
その他の連続強化繊維を用いる場合、連続強化繊維の特性に応じ、ガラス繊維、炭素繊維に用いることが可能な集束剤の種類、付与量を適宜選択すればよく、炭素繊維に用いる集束剤に準じた集束剤の種類、付与量とすることが好ましい。 When using other continuous reinforcing fibers, the type and amount of sizing agent suitable for use with glass fibers and carbon fibers should be appropriately selected according to the characteristics of the continuous reinforcing fibers. It is preferable to use a type and amount of sizing agent similar to that used for carbon fibers.
(連続強化繊維の形状)
連続強化繊維は複数本のフィラメントからなるマルチフィラメントであり、単糸数は、取扱い性の観点から30~15,000本であることが好ましい。
連続強化繊維の単糸径Rは、強度の観点、及び、取り扱い性の観点から2~30μmであることが好ましく、4~25μmであることがより好ましく、6~20μmであることが更に好ましく、8~18μmであることが最も好ましい。
連続強化繊維の単糸径R(μm)と密度D(g/cm3)の積RDは、連続強化繊維の取り扱い性と複合材料の強度の観点から、好ましくは5~100μm・g/cm3、より好ましくは10~50μm・g/cm3、更に好ましくは15~45μm・g/cm3、より更に好ましくは20~45μm・g/cm3である。
(Shape of continuous reinforcing fibers)
The continuous reinforcing fiber is a multifilament consisting of multiple filaments, and the number of single filaments is preferably 30 to 15,000 from the viewpoint of handling.
The single filament diameter R of the continuous reinforcing fiber is preferably 2 to 30 μm, more preferably 4 to 25 μm, even more preferably 6 to 20 μm, and most preferably 8 to 18 μm, from the viewpoint of strength and handling.
The product RD of the single filament diameter R (μm) and density D (g/ cm³ ) of the continuous reinforcing fiber is preferably 5 to 100 μm·g/ cm³ , more preferably 10 to 50 μm·g/ cm³ , even more preferably 15 to 45 μm·g/cm³, and even more preferably 20 to 45 μm·g/ cm³ , from the viewpoint of the handling of the continuous reinforcing fiber and the strength of the composite material.
密度Dは、比重計により測定することができる。
他方、単糸径R(μm)は、密度D(g/cm3)と繊度(dtex)、単糸数(本)から、以下の式:
On the other hand, the single filament diameter R (μm) is given by the density D (g/ cm³ ), fineness (dtex), and number of single filaments (strands) using the following formula:
連続強化繊維の積RDを所定の範囲とするには、市販で入手可能な連続強化繊維について、連続強化繊維の有する密度に応じて、繊度(dtex)及び単糸数(本)を適宜選択すればよい。例えば、連続強化繊維としてガラス繊維を用いる場合、密度が約2.5g/cm3であるから、単糸径が2~40μmのものを選べばよい。具体的には、ガラス繊維の単糸径が9μmである場合、繊度660dtexで単糸数400本のガラス繊維を選択することにより、積RDは、23となる。また、ガラス繊維の単糸径が17μmである場合、繊度11,500dtexで単糸数2,000本のガラス繊維を選択することにより、積RDは、43となる。連続強化繊維として炭素繊維を用いる場合、密度が約1.8g/cm3であるから、単糸径が2.8~55μmのものを選べばよい。具体的には、炭素繊維の単糸径が7μmである場合、繊度2,000dtexで単糸数3,000本の炭素繊維を選択することにより、積RDは、13となる。連続強化繊維としてアラミド繊維を用いる場合、密度が約1.45g/cm3であるから、単糸径が3.4~68μmのものを選べばよい。具体的には、アラミド繊維の単糸径が12μmである場合、繊度1,670dtexで単糸数1,000本のアラミド繊維を選択することにより、積RDは、17となる。 To set the product RD of continuous reinforcing fibers within a specified range, the fineness (dtex) and number of single filaments (threads) should be appropriately selected from commercially available continuous reinforcing fibers according to the density of the fibers. For example, when using glass fibers as continuous reinforcing fibers, the density is approximately 2.5 g/ cm³ , so fibers with a single filament diameter of 2 to 40 μm should be selected. Specifically, if the single filament diameter of the glass fiber is 9 μm, selecting glass fibers with a fineness of 660 dtex and 400 single filaments will result in a product RD of 23. Also, if the single filament diameter of the glass fiber is 17 μm, selecting glass fibers with a fineness of 11,500 dtex and 2,000 single filaments will result in a product RD of 43. When using carbon fibers as continuous reinforcing fibers, the density is approximately 1.8 g/ cm³ , so fibers with a single filament diameter of 2.8 to 55 μm should be selected. Specifically, if the single filament diameter of the carbon fiber is 7 μm, selecting carbon fibers with a fineness of 2,000 dtex and 3,000 single filaments will result in a product RD of 13. When using aramid fibers as continuous reinforcing fibers, since the density is approximately 1.45 g/ cm³ , it is sufficient to select fibers with a single filament diameter of 3.4 to 68 μm. Specifically, if the single filament diameter of the aramid fiber is 12 μm, selecting aramid fibers with a fineness of 1,670 dtex and 1,000 single filaments will result in a product RD of 17.
連続強化繊維、例えば、ガラス繊維は、原料ガラスを計量、混合し、溶融炉で溶融ガラスとし、これを紡糸してガラスフィラメントとし、集束剤を塗布し、紡糸機を経て、ダイレクトワインドロービング(DWR)、ケーキ、撚りを入れたヤーン等の巻き取り形態として製造される。
連続強化繊維はどのような形態でも構わないが、ヤーン、ケーキ、DWRに巻き取ってあると、樹脂を被覆させる工程での生産性、生産安定性が高まるため好ましい。生産性の観点からはDWRが最も好ましい。
Continuous reinforced fibers, such as glass fibers, are manufactured by weighing and mixing raw glass, melting it in a melting furnace to form molten glass, spinning it into glass filaments, applying a sizing agent, and then passing it through a spinning machine to produce winding forms such as direct-wound roving (DWR), cakes, or twisted yarn.
The continuous reinforcing fibers can be in any form, but it is preferable that they be wound into yarn, cake, or DWR because this increases productivity and production stability in the resin coating process. From a productivity standpoint, DWR is the most preferable.
連続強化繊維の形態は、特に制限されず、織物や編み物、組紐、パイプ状のもの、ノンクリンプファブリック、一方向材等、種々の形態が挙げられ、好ましくは、織物、ノンクリンプファブリック、一方向材の形態である。 The form of the continuous reinforcing fibers is not particularly limited and can take various forms, such as woven fabrics, knitted fabrics, braids, pipe-shaped materials, non-crimped fabrics, and unidirectional materials. Preferably, they are in the form of woven fabrics, non-crimped fabrics, or unidirectional materials.
(熱可塑性樹脂)
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料を構成する熱可塑性樹脂は、損失正接tanδのピーク温度が80℃以上であることが好ましく、85℃以上であることがより好ましく、90℃以上であることが更に好ましく、100℃以上であることがより更に好ましい。熱可塑性樹脂のtanδのピーク温度が上記範囲であると、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
熱可塑性樹脂の損失正接tanδのピーク温度とは、温度を変化させながらそれぞれの温度でtanδを測定したときに、tanδの値が最大となるときの温度を意味する。tanδのピーク温度は、例えば、熱可塑性樹脂フィルムに含まれる連続強化繊維の長さ方向に直行する断面における連続強化繊維の単糸1本に対して、ナノインデンターを用いて特定の周波数の振動を与えてナノインデンテーション(nanoDMA)することによって求めることができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
熱可塑性樹脂のtanδを上記範囲に調整する方法としては、例えば、樹脂中の芳香族環濃度を調整する方法が挙げられ、樹脂中の芳香族環濃度を上げるとtanδのピーク温度が上昇する傾向にある。
(thermoplastic resin)
The thermoplastic resin constituting the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment preferably has a peak temperature of loss tangent tanδ of 80°C or higher, more preferably 85°C or higher, even more preferably 90°C or higher, and even more preferably 100°C or higher. When the peak temperature of tanδ of the thermoplastic resin is within the above range, the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less of the continuous fiber-reinforced composite material tends to decrease, the number of AE signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1000 μs or less tends to increase, and the total AE count tends to increase.
The peak temperature of the loss tangent tanδ of a thermoplastic resin refers to the temperature at which the value of tanδ is maximum when tanδ is measured at various temperatures while the temperature is being changed. The peak temperature of tanδ can be determined, for example, by applying a specific frequency of vibration to a single filament of continuous reinforcing fiber in a cross-section perpendicular to the length direction of the continuous reinforcing fiber contained in a thermoplastic resin film, thereby performing nanoindentation (nanoDMA). Specifically, it can be measured by the method described in the examples below.
One method for adjusting the tanδ of a thermoplastic resin to the above range is to adjust the concentration of aromatic rings in the resin. Increasing the concentration of aromatic rings in the resin tends to raise the peak temperature of tanδ.
本実施形態の熱可塑性樹脂は、ラマンピーク(ラマンスペクトルのピーク)を950~1050cm-1に有することが好ましく、970~1030cm-1に有することがより好ましい。熱可塑性樹脂のラマンピークが上記範囲であると、連続繊維強化複合材料の振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数は小さくなる傾向にあり、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数は大きくなる傾向にあり、総AEカウント数は大きくなる傾向にある。
本実施形態の熱可塑性樹脂のラマンピークは、例えば、熱可塑性樹脂フィルムに含まれる連続強化繊維の長さ方向に直行する断面における、樹脂領域のラマンスペクトルをレーザーラマン顕微鏡により測定することで求めることができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The thermoplastic resin of this embodiment preferably has a Raman peak (peak in the Raman spectrum) in the range of 950 to 1050 cm⁻¹ , and more preferably in the range of 970 to 1030 cm⁻¹ . When the Raman peak of the thermoplastic resin is within the above range, the number of AE signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less in the continuous fiber-reinforced composite material tends to be small, the number of AE signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1000 μs or less tends to be large, and the total AE count tends to be large.
The Raman peak of the thermoplastic resin in this embodiment can be determined, for example, by measuring the Raman spectrum of the resin region in a cross-section perpendicular to the longitudinal direction of the continuous reinforcing fibers contained in the thermoplastic resin film using a laser-Raman microscope. Specifically, it can be measured by the method described in the examples below.
本実施形態の熱可塑性樹脂は、2種類以上であってもよく、前記2種類以上の熱可塑性樹脂の飽和吸水率が一番大きいものと一番小さいものの飽和吸水率の差が、2.0質量%以上であることが好ましく、2.5質量%以上であることがより好ましく、2.8質量%以上であることが更に好ましい。前記飽和吸水率がこの範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料が、優れた強度や弾性率、吸水特性、高温特性、疲労特性、衝撃特性、反り特性を発現することができる。 The thermoplastic resin in this embodiment may be of two or more types. Preferably, the difference between the saturated water absorption rates of the two or more thermoplastic resins with the highest and lowest saturated water absorption rates is 2.0% by mass or more, more preferably 2.5% by mass or more, and even more preferably 2.8% by mass or more. When the saturated water absorption rates are within this range, the continuous fiber-reinforced resin composite material can exhibit excellent strength, elastic modulus, water absorption properties, high-temperature properties, fatigue properties, impact properties, and warp properties.
熱可塑性樹脂が2種類以上である場合、最も質量割合が大きい樹脂は、高温特性と吸水特性の観点から、2番目に質量割合が大きい樹脂の5倍以下の質量割合であることが好ましく、4倍以下の質量割合であることがより好ましく、3倍以下の質量割合であることが更に好ましい。熱可塑性樹脂の質量割合が上記範囲であると、連続繊維強化樹脂複合材料の物性(強度、剛性、高温特性、吸水特性、衝撃特性、及び外観等)が向上する傾向にある。 When there are two or more types of thermoplastic resins, the resin with the largest mass proportion is preferably five times or less in mass proportion than the resin with the second largest mass proportion, more preferably four times or less, and even more preferably three times or less, from the viewpoint of high-temperature properties and water absorption properties. When the mass proportion of thermoplastic resins is within the above range, the physical properties (strength, rigidity, high-temperature properties, water absorption properties, impact properties, and appearance, etc.) of the continuous fiber-reinforced resin composite material tend to improve.
熱可塑性樹脂は、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46、ポリアミド612、ポリアミド6I等のポリアミド系樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂;ポリオキシメチレン等のポリアセタール系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルグリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール等のポリエーテル系樹脂;ポリエーテルスルフォン;ポリフェニレンサルファイド;熱可塑性ポリエーテルイミド;テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体等の熱可塑性フッ素系樹脂;ポリウレタン系樹脂;アクリル系樹脂及びこれらを変性させた変性熱可塑性樹脂が挙げられる。 Thermoplastic resins are not limited to the following, but examples include: polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polyamide resins such as polyamide 6, polyamide 66, polyamide 46, polyamide 612, and polyamide 6I; polyester resins such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polytrimethylene terephthalate; polyacetal resins such as polyoxymethylene; polycarbonate resins; polyether resins such as polyether ketone, polyether ether ketone, polyether glycol, polypropylene glycol, and polytetramethylene ether glycol; polyether sulfone; polyphenylene sulfide; thermoplastic polyetherimide; thermoplastic fluorine resins such as tetrafluoroethylene-ethylene copolymer; polyurethane resins; acrylic resins; and modified thermoplastic resins obtained by modifying these.
これらの熱可塑性樹脂の中でも、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、熱可塑性フッ素系樹脂が好ましく、ポリオレフィン系樹脂、変性ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂及びアクリル系樹脂が、機械的物性、汎用性の観点からより好ましく、熱的物性の観点を加えるとポリアミド系樹脂及びポリエステル系樹脂が更に好ましい。また、繰り返し荷重負荷に対する耐久性の観点からポリアミド系樹脂がより更に好ましい。 Among these thermoplastic resins, polyolefin resins, polyamide resins, polyester resins, polyether resins, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, thermoplastic polyetherimide, and thermoplastic fluorine resins are preferred. Polyolefin resins, modified polyolefin resins, polyamide resins, polyester resins, polyurethane resins, and acrylic resins are more preferred from the viewpoint of mechanical properties and versatility. Considering thermal properties, polyamide resins and polyester resins are even more preferred. Furthermore, polyamide resins are even more preferred from the viewpoint of durability against repeated load application.
-ポリエステル系樹脂-
ポリエステル系樹脂とは、主鎖に-CO-O-(エステル)結合を有する高分子化合物を意味する。
ポリエステル系樹脂としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリテトラメチレンテレフタレート、ポリ-1,4-シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリエチレン-2,6-ナフタレンジカルボキシレート等が挙げられる。
ポリエステル系樹脂は、ホモポリエステルであってもよく、また、共重合ポリエステルであってもよい。
共重合ポリエステルの場合、ホモポリエステルに適宜第3成分を共重合させたものが好ましく、第3成分としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ジエチレングリコール、ネオペンチルグリコール、ポリアルキレングリコール等のジオール成分、アジピン酸、セバシン酸、フタル酸、イソフタル酸、5-ナトリウムスルホイソフタル酸等のジカルボン酸成分等が挙げられる。
また、バイオマス資源由来の原料を用いたポリエステル系樹脂を用いることもでき、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリ乳酸、ポリブチレンスクシネート、ポリブチレンスクシネートアジペート等の脂肪族ポリエステル系樹脂、ポリブチレンアジペートテレフタレート等の芳香族ポリエステル系樹脂等が挙げられる。
-Polyester resin-
Polyester resins refer to polymer compounds that have -CO-O- (ester) bonds in their main chain.
Examples of polyester resins, though not limited to the following, include polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polytetramethylene terephthalate, poly-1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate, and polyethylene-2,6-naphthalenedicarboxylate.
The polyester resin may be homopolyester or copolymer polyester.
In the case of copolymerized polyesters, it is preferable to copolymerize a homopolyester with an appropriate third component. The third component is not limited to the following, but examples include diol components such as diethylene glycol, neopentyl glycol, and polyalkylene glycol, and dicarboxylic acid components such as adipic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid, and 5-sodium sulfisoisophthalic acid.
Furthermore, polyester resins made from biomass resources can also be used, and are not limited to the following, but examples include aliphatic polyester resins such as polylactic acid, polybutylene succinate, and polybutylene succinate adipate, and aromatic polyester resins such as polybutylene adipate terephthalate.
-ポリアミド系樹脂-
ポリアミド系樹脂とは、主鎖に-CO-NH-(アミド)結合を有する高分子化合物を意味する。例えば、脂肪族系ポリアミド、芳香族系ポリアミド、全芳香族系ポリアミド等があげられる。
-Polyamide resin-
Polyamide resins refer to polymer compounds that have -CO-NH- (amide) bonds in their main chain. Examples include aliphatic polyamides, aromatic polyamides, and fully aromatic polyamides.
ポリアミド系樹脂としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ラクタムの開環重合で得られるポリアミド、ω-アミノカルボン酸の自己縮合で得られるポリアミド、ジアミン及びジカルボン酸を縮合することで得られるポリアミド、並びにこれらの共重合体が挙げられる。
ポリアミド系樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上の混合物として用いてもよい。
ラクタムとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、ピロリドン、カプロラクタム、ウンデカンラクタムやドデカラクタムが挙げられる。
ω-アミノカルボン酸としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ラクタムの水による開環化合物であるω-アミノ脂肪酸が挙げられる。ラクタム又はω-アミノカルボン酸はそれぞれ2種以上の単量体を併用して縮合させてもよい。
ジアミン(単量体)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ヘキサメチレンジアミンやペンタメチレンジアミン等の直鎖状の脂肪族ジアミン;2-メチルペンタンジアミンや2-エチルヘキサメチレンジアミン等の分岐型の脂肪族ジアミン;p-フェニレンジアミンやm-フェニレンジアミン等の芳香族ジアミン;シクロヘキサンジアミン、シクロペンタンジアミンやシクロオクタンジアミン等の脂環式ジアミンが挙げられる。
ジカルボン酸(単量体)としては、以下に限定されるものではないが、例えば、アジピン酸、ピメリン酸やセバシン酸等の脂肪族ジカルボン酸;フタル酸やイソフタル酸等の芳香族ジカルボン酸;シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環式ジカルボン酸が挙げられる。単量体としてのジアミン及びジカルボン酸はそれぞれ1種単独又は2種以上の併用により縮合させてもよい。
Examples of polyamide resins include, but are not limited to, polyamides obtained by ring-opening polymerization of lactams, polyamides obtained by self-condensation of ω-aminocarboxylic acids, polyamides obtained by condensation of diamines and dicarboxylic acids, and copolymers thereof.
Polyamide resins may be used individually or as a mixture of two or more types.
Examples of lactams, though not limited to those listed below, include pyrrolidone, caprolactam, undecanlactam, and dodecalactam.
Examples of ω-aminocarboxylic acids include, but are not limited to, ω-amino fatty acids, which are ring-opening compounds of lactams with water. Lactams or ω-aminocarboxylic acids may be condensed using two or more monomers in combination.
Examples of diamines (monomers) include, but are not limited to, linear aliphatic diamines such as hexamethylenediamine and pentamethylenediamine; branched aliphatic diamines such as 2-methylpentanediamine and 2-ethylhexamethylenediamine; aromatic diamines such as p-phenylenediamine and m-phenylenediamine; and alicyclic diamines such as cyclohexanediamine, cyclopentanediamine, and cyclooctanediamine.
Examples of dicarboxylic acids (monomers) include, but are not limited to, aliphatic dicarboxylic acids such as adipic acid, pimelic acid, and sebacic acid; aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid and isophthalic acid; and alicyclic dicarboxylic acids such as cyclohexanedicarboxylic acid. Diamines and dicarboxylic acids as monomers may be condensed individually or in combination of two or more.
ポリアミド系樹脂としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリアミド4(ポリα-ピロリドン)、ポリアミド6(ポリカプロアミド)、ポリアミド11(ポリウンデカンアミド)、ポリアミド12(ポリドデカンアミド)、ポリアミド46(ポリテトラメチレンアジパミド)、ポリアミド66(ポリヘキサメチレンアジパミド)、ポリアミド610、ポリアミド612等の脂肪族ポリアミド、ポリアミド6T(ポリヘキサメチレンテレフタルアミド)、ポリアミド9T(ポリノナンメチレンテレフタルアミド)、及びポリアミド6I(ポリヘキサメチレンイソフタルアミド)等の半芳香族ポリアミド、並びにこれらを構成成分として含む共重合ポリアミド等が挙げられる。
共重合ポリアミドとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、ヘキサメチレンアジパミド及びヘキサメチレンテレフタルアミドの共重合体、ヘキサメチレンアジパミド及びヘキサメチレンイソフタルアミドの共重合体、並びにヘキサメチレンテレフタルアミド及び2-メチルペンタンジアミンテレフタルアミドの共重合体が挙げられる。
Examples of polyamide resins, though not limited to the following, include aliphatic polyamides such as polyamide 4 (poly-α-pyrrolidone), polyamide 6 (polycaproamide), polyamide 11 (polyundecaneamide), polyamide 12 (polydodecaneamide), polyamide 46 (polytetramethylene adipamide), polyamide 66 (polyhexamethylene adipamide), polyamide 610, and polyamide 612; semi-aromatic polyamides such as polyamide 6T (polyhexamethylene terephthalamide), polyamide 9T (polynonanemethylene terephthalamide), and polyamide 6I (polyhexamethylene isophthalamide); and copolymerized polyamides containing these as constituent components.
Examples of copolymerized polyamides include, but are not limited to, copolymers of hexamethylene adipamide and hexamethylene terephthalamide, copolymers of hexamethylene adipamide and hexamethylene isophthalamide, and copolymers of hexamethylene terephthalamide and 2-methylpentanediamine terephthalamide.
ポリアミド樹脂を用いる場合、熱可塑性樹脂が、(A)脂肪族ポリアミドを50~99質量部、及び、イソフタル酸単位を少なくとも75モル%含むジカルボン酸単位と、炭素数4~10のジアミン単位を少なくとも50モル%含むジアミン単位とを含有する(B)半芳香族ポリアミドを1~50質量部、を含有することが好ましい。
熱可塑性樹脂が、上記範囲の(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドを含むと、ポリアミドとして(A)脂肪族ポリアミドのみを含む場合と比較して、連続繊維強化樹脂複合材料の物性(強度、剛性、高温特性、吸水特性、衝撃特性、及び外観等)が向上する傾向にある。
熱可塑性樹脂100質量%に対して、(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドの合計含有量は、70~100質量%であることが好ましく、より好ましくは80~100質量%、更に好ましくは90~100質量%である。
When using a polyamide resin, it is preferable that the thermoplastic resin contains (A) 50 to 99 parts by mass of an aliphatic polyamide and (B) 1 to 50 parts by mass of a semi-aromatic polyamide containing dicarboxylic acid units containing at least 75 mol% isophthalic acid units and diamine units containing at least 50 mol% diamine units having 4 to 10 carbon atoms.
When the thermoplastic resin contains (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide within the above range, the physical properties (strength, rigidity, high-temperature properties, water absorption properties, impact properties, and appearance, etc.) of the continuous fiber-reinforced resin composite material tend to improve compared to when the polyamide contains only (A) aliphatic polyamide.
The total content of (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide is preferably 70 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, and even more preferably 90 to 100% by mass, relative to 100% by mass of thermoplastic resin.
上記(A)脂肪族ポリアミドと(B)半芳香族ポリアミドとを含む熱可塑性樹脂の重量平均分子量(Mw)は、15000~35000であることが好ましく、17000~35000であることがより好ましく、20000~35000であることが更に好ましく、より更に好ましくは22000~34000であり、24000~33000が特に好ましく、25000~32000が最も好ましい。上記熱可塑性樹脂の重量平均分子量(Mw)が、上記範囲であると、強度、剛性が向上する傾向にある。
また、上記熱可塑性樹脂において、(A)脂肪族ポリアミドの重量平均分子量MwAは、(B)半芳香族ポリアミドの重量平均分子量MwBの1.5倍以上であることが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。MwAがMwBの1.5倍以上であると、強度、剛性が向上する傾向にある。
なお、熱可塑性樹脂、(A)脂肪族ポリアミド、及び(B)半芳香族ポリアミドの重量平均分子量(Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により観察することができる。
The weight-average molecular weight (Mw) of the thermoplastic resin containing (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide is preferably 15,000 to 35,000, more preferably 17,000 to 35,000, even more preferably 20,000 to 35,000, even more preferably 22,000 to 34,000, particularly preferably 24,000 to 33,000, and most preferably 25,000 to 32,000. When the weight-average molecular weight (Mw) of the thermoplastic resin is within the above range, the strength and rigidity tend to improve.
Furthermore, in the above thermoplastic resin, the weight-average molecular weight Mw A of (A) aliphatic polyamide is preferably 1.5 times or more, and more preferably 2 times or more, of the weight-average molecular weight Mw B of (B) semi-aromatic polyamide. When Mw A is 1.5 times or more of Mw B , the strength and rigidity tend to improve.
The weight-average molecular weight (Mw) of the thermoplastic resin, (A) aliphatic polyamide, and (B) semi-aromatic polyamide can be measured by gel permeation chromatography (GPC), and specifically, can be observed by the method described in the examples below.
上記(A)脂肪族ポリアミドとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリアミド4、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド46、ポリアミド66、ポリアミド610、ポリアミド612等が挙げられる。
熱可塑性樹脂中のポリアミド100質量%中の、(A)脂肪族ポリアミドの含有量は、50~99質量%であることが好ましく、より好ましくは60~90質量%、更に好ましくは70~80質量%である。
The above (A) aliphatic polyamides are not limited to the following, but examples include polyamide 4, polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, polyamide 46, polyamide 66, polyamide 610, polyamide 612, etc.
The content of (A) aliphatic polyamide in 100% by mass of polyamide in the thermoplastic resin is preferably 50 to 99% by mass, more preferably 60 to 90% by mass, and even more preferably 70 to 80% by mass.
上記(B)半芳香族ポリアミドとしては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリアミド6I、ポリアミド9I、ポリアミド10I等が挙げられる。
上記イソフタル酸単位及び炭素数4~10のジアミン単位の合計量は、(B)半芳香族ポリアミドの全構成単位100モル%に対して、80~100モル%であることが好ましく、90~100モル%であることがより好ましく、95~100モル%であることが更に好ましい。
なお、(B)半芳香族ポリアミドを構成する単量体単位の割合は、例えば、13C核磁気共鳴分光法(NMR)により測定することができる。
The above (B) semi-aromatic polyamides are not limited to the following, but examples include polyamide 6I, polyamide 9I, polyamide 10I, etc.
The total amount of isophthalic acid units and diamine units having 4 to 10 carbon atoms is preferably 80 to 100 mol%, more preferably 90 to 100 mol%, and even more preferably 95 to 100 mol%, based on 100 mol% of the total constituent units of the semi-aromatic polyamide (B).
The proportion of monomer units constituting (B) semi-aromatic polyamide can be measured, for example, by 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR).
(B)半芳香族ポリアミドにおいて、ジカルボン酸単位中のイソフタル酸単位の割合は、少なくとも75モル%であり、好ましくは85モル%以上であり、より好ましくは90モル%以上である。ジカルボン酸単位中のイソフタル酸単位の割合が上記範囲であると、高温特性と吸水特性が向上する傾向にある。 (B) In the semi-aromatic polyamide, the proportion of isophthalic acid units in the dicarboxylic acid units is at least 75 mol%, preferably 85 mol% or more, and more preferably 90 mol% or more. When the proportion of isophthalic acid units in the dicarboxylic acid units is within the above range, high-temperature properties and water absorption properties tend to improve.
(B)半芳香族ポリアミドにおいて、ジアミン単位中の炭素数4~10のジアミン単位の割合は、少なくとも50モル%であり、好ましくは60モル%以上であり、より好ましくは70モル%以上である。ジアミン単位中の炭素数4~10のジアミン単位の割合が上記範囲であると、高温特性と吸水特性が向上する傾向にある。 (B) In the semi-aromatic polyamide, the proportion of diamine units having 4 to 10 carbon atoms in the diamine units is at least 50 mol%, preferably 60 mol% or more, and more preferably 70 mol% or more. When the proportion of diamine units having 4 to 10 carbon atoms in the diamine units is within the above range, high-temperature properties and water absorption properties tend to improve.
熱可塑性樹脂中のポリアミド100質量%中の、(B)半芳香族ポリアミドの含有量は、1~50質量%であることが好ましく、より好ましくは10~40質量%、更に好ましくは20~30質量%である。 The content of (B) semi-aromatic polyamide in 100% by mass of polyamide in the thermoplastic resin is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 10 to 40% by mass, and even more preferably 20 to 30% by mass.
上記(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドは、公知の末端封止剤により末端封止されていてもよく、(A)脂肪族ポリアミドと(B)半芳香族ポリアミドとを合わせたポリアミド1gに対する当量として表される(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドの封止された末端量の合計が、5~180μ当量/gであることが好ましく、10~170μ当量/gがより好ましく、20~160μ当量/gがさらに好ましく、30~140μ当量/gが特に好ましく、40~140μ当量/gが最も好ましい。封止された末端量が、上記範囲であると、物性(強度、剛性、高温特性、吸水特性、衝撃特性、及び外観等)が向上する傾向にある。
ここで、封止された末端量とは、封止剤により封止されたアミノ末端及びカルボキシル末端の合計量である。封止された末端量は、1H-NMRを用いて測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The above (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide may be end-sealed with known end-sealing agents, and the total amount of sealed ends of (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide, expressed as equivalents per 1 g of the combined polyamide, is preferably 5 to 180 μequivalents/g, more preferably 10 to 170 μequivalents/g, even more preferably 20 to 160 μequivalents/g, particularly preferably 30 to 140 μequivalents/g, and most preferably 40 to 140 μequivalents/g. When the amount of sealed ends is within the above range, the physical properties (strength, rigidity, high-temperature properties, water absorption properties, impact properties, and appearance, etc.) tend to improve.
Here, the amount of sealed ends refers to the total amount of amino and carboxyl ends sealed by the sealing agent. The amount of sealed ends can be measured using 1H -NMR, and specifically, it can be measured by the method described in the examples below.
(A)脂肪族ポリアミドの末端基濃度は、(B)半芳香族ポリアミドの末端基濃度の1/2以下であることが好ましく、2/5以下であることがより好ましい。(A)脂肪族ポリアミドの末端基濃度が(B)半芳香族ポリアミドの末端基濃度の1/2以下であると、物性(強度、剛性、高温特性、吸水特性、衝撃特性、及び外観等)が向上する傾向にある。
(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドの末端基濃度は、1H-NMRを用いて測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
(A) The terminal group concentration of the aliphatic polyamide is preferably 1/2 or less of the terminal group concentration of (B) the semi-aromatic polyamide, and more preferably 2/5 or less. When the terminal group concentration of (A) the aliphatic polyamide is 1/2 or less of the terminal group concentration of (B) the semi-aromatic polyamide, the physical properties (strength, rigidity, high-temperature properties, water absorption properties, impact properties, and appearance, etc.) tend to improve.
The terminal group concentrations of (A) aliphatic polyamides and (B) semi-aromatic polyamides can be measured using 1H -NMR, specifically by the method described in the examples below.
(A)脂肪族ポリアミドと(B)半芳香族ポリアミドとは、tanδのピーク温度の差が45~100℃であることが好ましく、50~90℃であることがより好ましく、60~90℃であることが更に好ましい。(A)脂肪族ポリアミドと(B)半芳香族ポリアミドとのtanδのピーク温度の差が、上記範囲であると、高温特性と吸水特性が向上する傾向にある。
(A)脂肪族ポリアミド及び(B)半芳香族ポリアミドのtanδのピーク温度は、例えば、粘弾性測定解析装置を用いて測定することができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The difference in tanδ peak temperature between (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide is preferably 45 to 100°C, more preferably 50 to 90°C, and even more preferably 60 to 90°C. When the difference in tanδ peak temperature between (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide is within the above range, high-temperature properties and water absorption properties tend to improve.
The peak temperature of tanδ of (A) aliphatic polyamide and (B) semi-aromatic polyamide can be measured, for example, using a viscoelasticity analyzer, and specifically, by the method described in the examples below.
(A)脂肪族ポリアミドと(B)半芳香族ポリアミドとの粘度の差が3倍以上であることが強度、剛性、成形性、外観の観点から好ましく、4倍以上であることがより好ましい。
熱可塑性樹脂の粘度はMFR測定(ISO1133に準拠)により求めることができ、具体的には、後述の実施例に記載の方法により観察することができる。
(A) The difference in viscosity between the aliphatic polyamide and (B) the semi-aromatic polyamide is preferably three times or more, and more preferably four times or more, from the viewpoint of strength, rigidity, moldability, and appearance.
The viscosity of thermoplastic resins can be determined by MFR measurement (in accordance with ISO 1133), and specifically, it can be observed by the method described in the examples below.
[添加剤]
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料には、必要に応じて添加剤を含有させてもよい。本実施形態の複合材料は、例えば、着色剤、老化防止剤、酸化防止剤、耐候剤、金属不活性剤、光安定剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、防菌・防黴剤、防臭剤、導電性付与剤、分散剤、軟化剤、可塑剤、架橋剤、共架橋剤、加硫剤、加硫助剤、発泡剤、発泡助剤、難燃剤、制振剤、造核剤、中和剤、滑剤、ブロッキング防止剤、分散剤、流動性改良剤、離型剤等の添加剤を含有してもよい。
添加剤の含有量は、複合材料100質量%に対して、3質量%以下としてよい。
[Additives]
The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment may contain additives as needed. The composite material of this embodiment may contain, for example, colorants, anti-aging agents, antioxidants, weathering agents, metal deactivators, light stabilizers, heat stabilizers, ultraviolet absorbers, antibacterial and antifungal agents, deodorants, conductivity imparters, dispersants, softeners, plasticizers, crosslinking agents, co-crosslinking agents, vulcanizing agents, vulcanizing aids, foaming agents, foaming aids, flame retardants, vibration damping agents, nucleating agents, neutralizing agents, lubricants, anti-blocking agents, dispersants, flow improvers, and release agents.
The additive content may be 3% by mass or less based on 100% by mass of the composite material.
(着色剤)
着色剤としては、カーボンブラック、ニグロシン、アルミ顔料、二酸化チタン、群青、シアニンブルー、シアニングリーン、キナクリドン、珪藻土、モノアゾ塩、ペリレン、ジスアゾ、縮合アゾ、イソインドリン、弁柄、ニッケルチタンイエロー、ジケトンピロロピロール、金属塩、ペリレンレッド、金属酸化物、バナジン酸ビスマス、コバルトグリーン、コバルトブルー、アンスラキノン、フタロシアニングリーン、フタロシアニンブルー等が挙げられる。中でも、黒色の着色剤が好ましく、カーボンブラック、ニグロシンがより好ましい。
(Coloring agent)
Examples of colorants include carbon black, nigrosine, aluminum pigment, titanium dioxide, ultramarine, cyanine blue, cyanine green, quinacridone, diatomaceous earth, monoazo salts, perylene, disazo, condensed azo, isoindoline, red iron oxide, nickel titanium yellow, diketone pyrrolopyrrole, metal salts, perylene red, metal oxides, bismuth vanadate, cobalt green, cobalt blue, anthraquinone, phthalocyanine green, and phthalocyanine blue. Among these, black colorants are preferred, with carbon black and nigrosine being more preferred.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、好適には、熱可塑性樹脂100質量部に対して、連続強化繊維の含有量が90~525質量部、これら以外の成分の含有量が0~2質量部であり、より好適には、熱可塑性樹脂100質量部に対して、連続強化繊維の含有量が150~340質量部、これら以外の成分の含有量を0~1質量部である。 The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment preferably contains 90 to 525 parts by mass of continuous reinforcing fibers and 0 to 2 parts by mass of other components per 100 parts by mass of thermoplastic resin, and more preferably contains 150 to 340 parts by mass of continuous reinforcing fibers and 0 to 1 part by mass of other components per 100 parts by mass of thermoplastic resin.
[連続繊維強化樹脂複合材料の用途]
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、航空機、車、建設材料、ロボット等の構造材料用途に好適に使用することができる。
車用途においては、以下に限定されるものではないが、例えば、シャーシ/フレーム、足回り、駆動系部品、内装部品、外装部品、機能部品、その他部品に使用できる。
具体的には、ステアリング軸、マウント、サンルーフ、ステップ、スーフトリム、ドアトリム、トランク、ブートリッド、ボンネット、シートフレーム、シートバック、リトラクター、リタラクター支持ブラケット、クラッチ、ギア、プーリー、カム、アーゲー、弾性ビーム、バッフリング、ランプ、リフレクタ、グレージング、フロントエンドモジュール、バックドアインナー、ブレーキペダル、ハンドル、電装材、吸音材、ドア外装、内装パネル、インパネ、リアゲート、天井ハリ、シート、シート枠組み、ワイパー支柱、EPS(Electric Power Steering)、小型モーター、ヒートシンク、ECU(Engine Control Unit)ボックス、ECUハウジング、ステアリングギアボックスハウジング、プラスチックハウジング、EV(Electric Vehicle)モーター用筐体、ワイヤーハーネス、車載メーター、コンビネーションスイッチ、小型モーター、スプリング、ダンパー、ホイール、ホイールカバー、フレーム、サブフレーム、サイドフレーム、二輪フレーム、燃料タンク、オイルパン、インマニ、プロペラシャフト、駆動用モーター、モノコック、水素タンク、燃料電池の電極、パネル、フロアパネル、外板パネル、ドア、キャビン、ルーフ、フード、バルブ、EGR(Exhaust Gas Recirculation)バルブ、可変バルブタイミングユニット、コネクティングロッド、シリンダボア、メンバー(エンジンマウンティング、フロントフロアクロス、フットウェルクロス、シートクロス、インナーサイド、リヤクロス、サスペンション、ピラーリーンフォース、フロントサイド、フロントパネル、アッパー、ダッシュパネルクロス、ステアリング)、トンネル、締結インサート、クラッシュボックス、クラッシュレール、コルゲート、ルーフレール、アッパボディ、サイドレール、ブレーディング、ドアサラウンドアッセンブリー、エアバッグ用部材、ボディーピラー、ダッシュツゥピラーガセット、サスペンジョンタワー、バンパー、ボディーピラーロワー、フロントボディーピラー、レインフォースメント(インパネ、レール、ルーフ、フロントボディーピラー、ルーフレール、ルーフサイドレール、ロッカー、ドアベルトライン、フロントフロアアンダー、フロントボディーピラーアッパー、フロントボディーピラーロワー、センターピラー、センターピラーヒンジ、ドアアウトサイドパネル)、サイドアウターパネル、フロントドアウインドゥフレーム、MICS(Minimum Intrusion Cabin System)バルク、トルクボックス、ラジエーターサポート、ラジエーターファン、ウォーターポンプ、燃料ポンプ、電子制御スロットルボディ、エンジン制御ECU、スターター、オルタネーター、マニホールド、トランスミッション、クラッチ、ダッシュパネル、ダッシュパネルインシュレータパッド、ドアサイドインパクトプロテクションビーム、バンパービーム、ドアビーム、バルクヘッド、アウタパッド、インナパッド、リヤシートロッド、ドアパネル、ドアトリムボドサブアッセンブリー、エネルギーアブソーバー(バンパー、衝撃吸収)、衝撃吸収体、衝撃吸収ガーニッシュ、ピラーガーニッシュ、ルーフサイドインナーガーニッシュ、樹脂リブ、サイドレールフロントスペーサー、サイドレールリアスペーサー、シートベルトプリテンショナー、エアバッグセンサー、アーム(サスペンション、ロアー、フードヒンジ)、サスペンションリンク、衝撃吸収ブラケット、フェンダーブラケット、インバーターブラケット、インバーターモジュール、フードインナーパネル、フードパネル、カウルルーバー、カウルトップアウターフロントパネル、カウルトップアウターパネル、フロアサイレンサー、ダンプシート、フードインシュレーター、フェンダーサイドパネルプロテクター、カウルインシュレーター、カウルトップベンチレータールーパー、シリンダーヘッドカバー、タイヤディフレクター、フェンダーサポート、ストラットタワーバー、ミッションセンタートンネル、フロアトンネル、ラジコアサポート、ラゲッジパネル、ラゲッジフロア、アクセルペダル、アクセルペダルベース等の部品として好適に使用することができる。
[Applications of continuous fiber-reinforced resin composite materials]
The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment can be suitably used as a structural material for aircraft, automobiles, construction materials, robots, and the like.
In automotive applications, it can be used in, but is not limited to, the chassis/frame, suspension, drivetrain components, interior components, exterior components, functional components, and other parts.
Specifically, steering shaft, mount, sunroof, step, soffit trim, door trim, trunk, boot lid, bonnet, seat frame, seat back, retractor, retractor support bracket, clutch, gear, pulley, cam, AG, elastic beam, baffling, lamp, reflector, glazing, front end module, back door inner, brake pedal, steering wheel, electrical materials, sound-absorbing materials, door exterior, interior panel, instrument panel, rear gate, ceiling beam, seat, seat frame, wiper support, EPS (Electric Power Steering), small motor, heat sink, ECU (Engine Control Unit) box, ECU housing, steering gearbox housing, plastic housing, EV (Electric Vehicle) Motor housing, wire harness, onboard meter, combination switch, small motor, spring, damper, wheel, wheel cover, frame, subframe, side frame, two-wheel frame, fuel tank, oil pan, intake manifold, propeller shaft, drive motor, monocoque, hydrogen tank, fuel cell electrodes, panel, floor panel, exterior panel, door, cabin, roof, hood, valve, EGR (Exhaust Gas) Recirculation valve, variable valve timing unit, connecting rod, cylinder bore, members (engine mounting, front floor cloth, footwell cloth, seat cloth, inner side, rear cloth, suspension, pillar reinforcement, front side, front panel, upper, dash panel cloth, steering), tunnel, fastening insert, crash box, crash rail, corrugated, roof rail, upper body, side rail, braiding, door surround assembly, airbag components, body pillar, dash-to-pillar gusset, suspension tower, bumper, body pillar lower, front body pillar, reinforcement (instrument panel, rail, roof, front body pillar, roof rail, roof side rail, rocker, door beltline, front floor under, front body pillar upper, front body pillar lower, center pillar, center pillar hinge, door outside panel), side outer panel, front door window frame, MICS (Minimum Intrusion Cabin) System) Bulkhead, torque box, radiator support, radiator fan, water pump, fuel pump, electronic throttle body, engine control ECU, starter, alternator, manifold, transmission, clutch, dash panel, dash panel insulator pad, door side impact protection beam, bumper beam, door beam, bulkhead, outer pad, inner pad, rear seat rod, door panel, door trim body sub-assembly, energy absorber (bumper, impact absorber), impact absorber, impact absorbing garnish, pillar garnish, roof side inner garnish, resin rib, side rail front spacer, side rail rear spacer, seat belt pretensioner, airbag It can be suitably used as a component such as a sensor, arm (suspension, lower, hood hinge), suspension link, impact absorption bracket, fender bracket, inverter bracket, inverter module, hood inner panel, hood panel, cowl louvers, cowl top outer front panel, cowl top outer panel, floor silencer, dump sheet, hood insulator, fender side panel protector, cowl insulator, cowl top ventilator louvers, cylinder head cover, tire deflector, fender support, strut tower bar, transmission center tunnel, floor tunnel, radiator core support, luggage panel, luggage floor, accelerator pedal, accelerator pedal base, etc.
[複合材料の成形]
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、さらに成形することができる。上記の方法としては、例えば、本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料を、所定の大きさに切りだし、赤外線ヒーターで加熱し、プレス成形機で加熱圧縮プレスする方法等が挙げられる。
[Molding of composite materials]
The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment can be further molded. Examples of such methods include cutting the continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment to a predetermined size, heating it with an infrared heater, and then heat-compressing it with a press molding machine.
以下、本発明を実施例、参考例、比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができることはいうまでもない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, reference examples, and comparative examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples and can be implemented with various modifications within the scope of the gist of the present invention.
[界面量]
下記式により、連続繊維強化樹脂複合材料の界面量(m-1)を求めた。
(界面量(m-1))=(連続繊維強化樹脂複合材料中の強化繊維の体積(m3))×(強化繊維の密度(g/m3))×(強化繊維の単糸数)×(強化繊維の直径(m))×π/(強化繊維の繊度(g/m))/(連続繊維強化樹脂複合材料の体積(m3))
[Interface amount]
The interface content (m - 1 ) of the continuous fiber-reinforced resin composite material was determined using the following formula.
(Interface volume (m - 1 )) = (Volume of reinforcing fibers in continuous fiber-reinforced resin composite material ( m³ )) × (Density of reinforcing fibers (g/ m³ )) × (Number of single fibers of reinforcing fibers) × (Diameter of reinforcing fibers (m)) × π / (Fineness of reinforcing fibers (g/m)) / (Volume of continuous fiber-reinforced resin composite material ( m³ ))
[引張強度、引張強度保持率]
連続繊維強化樹脂複合材料から長さ70mm、幅10mm、肉厚2mmの短冊状の試験片を切り出し、80℃の真空乾燥機で18時間以上乾燥した。その後、インストロン万能試験機にて、試験片を、長手方向に30mmの間隔でチャッキングし、速度5mm/minで、23℃、50%RHの環境下、及び80℃、50%RHの環境下で、それぞれ引張強度(MPa)を測定した。
下記式により、80℃での引張強度保持率(%)を求めた。
80℃での引張強度保持率=(80℃、50%RHでの引張強度/23℃、50%RHでの引張強度)×100
[Tensile strength, tensile strength retention rate]
Strip-shaped test pieces measuring 70 mm in length, 10 mm in width, and 2 mm in thickness were cut from a continuous fiber-reinforced resin composite material and dried in a vacuum dryer at 80°C for more than 18 hours. Subsequently, the test pieces were chucked at 30 mm intervals along their longitudinal direction in an Instron universal testing machine, and the tensile strength (MPa) was measured at a speed of 5 mm/min under conditions of 23°C, 50% RH and 80°C, 50% RH.
The tensile strength retention rate (%) at 80°C was calculated using the following formula.
Tensile strength retention rate at 80°C = (Tensile strength at 80°C, 50% RH / Tensile strength at 23°C, 50% RH) × 100
[曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ強度保持率、曲げ弾性率保持率]
連続繊維強化樹脂複合材料から長さ100mm、幅10mm、肉厚2mmの短冊状の試験片を切り出し、80℃の真空乾燥機で18時間以上乾燥した。その後、インストロン万能試験機にて、3点曲げ用の治具を用い、スパン間を厚み×16(mm)に設定して速度1mm/minで、23℃、50%RHの環境下、及び80℃、50%RHの環境下で、それぞれ曲げ強度(MPa)、曲げ弾性率(GPa)を測定した。
下記式により、80℃での曲げ強度保持率(%)及び曲げ弾性率保持率(%)を求めた。
80℃での曲げ強度保持率=(80℃、50%RHでの曲げ強度/23℃、50%RHでの曲げ強度)×100
80℃での曲げ弾性率保持率=(80℃、50%RHでの曲げ弾性率/23℃、50%RHでの曲げ弾性率)×100
[Bending strength, bending modulus, bending strength retention rate, bending modulus retention rate]
Strip-shaped test pieces measuring 100 mm in length, 10 mm in width, and 2 mm in thickness were cut from a continuous fiber-reinforced resin composite material and dried in a vacuum dryer at 80°C for more than 18 hours. Subsequently, using an Instron universal testing machine with a three-point bending jig, the bending strength (MPa) and bending modulus (GPa) were measured at a speed of 1 mm/min under conditions of 23°C, 50% RH and 80°C, 50% RH.
The flexural strength retention rate (%) and flexural modulus retention rate (%) at 80°C were determined using the following formulas.
Bending strength retention rate at 80°C = (Bending strength at 80°C, 50% RH / Bending strength at 23°C, 50% RH) × 100
Retention rate of flexural modulus at 80°C = (Flexural modulus at 80°C, 50% RH / Flexural modulus at 23°C, 50% RH) × 100
[吸水特性]
連続繊維強化樹脂複合材料から長さ100mm、幅10mm、肉厚2mmの短冊状の試験片を切り出し、80℃の恒温水槽に18時間浸漬したのち、80℃、57%RHの恒温恒湿槽中に150時間以上放置し、質量が一定になるまで調湿したものを吸水時の試験片とした。上記記載の方法により、乾燥時及び吸水時の試験片の23℃、50%RHの環境下で引張強度(MPa)、曲げ強度(MPa)、及び曲げ弾性率(GPa)を測定した。
下記式により、吸水時の引張強度保持率(%)、曲げ強度保持率(%)、及び曲げ弾性率保持率(%)を求めた。
吸水時の引張強度保持率=(吸水時の引張強度/乾燥時の引張強度)×100
吸水時の曲げ強度保持率=(吸水時の曲げ強度/乾燥時の曲げ強度)×100
吸水時の曲げ弾性率保持率=(吸水時の曲げ弾性率/乾燥時の曲げ弾性率)×100
[Water absorption properties]
Strip-shaped test pieces measuring 100 mm in length, 10 mm in width, and 2 mm in thickness were cut from a continuous fiber-reinforced resin composite material. These were immersed in a constant temperature water bath at 80°C for 18 hours, and then left in a constant temperature and humidity chamber at 80°C and 57% RH for more than 150 hours until the mass became constant. These were used as test pieces for water absorption. Tensile strength (MPa), flexural strength (MPa), and flexural modulus (GPa) of the dry and water-absorbed test pieces were measured under conditions of 23°C and 50% RH using the method described above.
The tensile strength retention rate (%), flexural strength retention rate (%), and flexural modulus retention rate (%) after water absorption were determined using the following formulas.
Tensile strength retention rate after water absorption = (Tensile strength after water absorption / Tensile strength after drying) × 100
Bending strength retention rate after water absorption = (Bending strength after water absorption / Bending strength when dry) × 100
Retention rate of flexural modulus when water is absorbed = (Flexural modulus when water is absorbed / Flexural modulus when dry) × 100
[衝撃強度]
連続繊維強化樹脂複合材料から長さ60mm、幅60mm、肉厚2mmの試験片を切り出し、高速衝撃試験機(島津 HYDRO SHOT HITS-P10、株式会社島津製作所)にて、JIS K7211-2;2006に準拠して、ストライカー径20mmφ、受け径40mmφ、試験速度4.4m/sec、試験温度23℃、試験数n=5で試験を行った。変位に対する試験力のグラフを書き、当該グラフから求めた最大の衝撃強度(kN)を試験片の厚みで割り、5サンプルの平均値(kN/mm)で求めた。
[Impact strength]
Test specimens measuring 60 mm in length, 60 mm in width, and 2 mm in thickness were cut from a continuous fiber-reinforced resin composite material. These specimens were tested using a high-speed impact testing machine (Shimadzu HYDRO SHOT HITS-P10, Shimadzu Corporation) in accordance with JIS K7211-2;2006, with a striker diameter of 20 mmφ, a receiving diameter of 40 mmφ, a test speed of 4.4 m/sec, a test temperature of 23°C, and a test number of n=5. A graph of the test force against displacement was drawn, and the maximum impact strength (kN) obtained from this graph was divided by the thickness of the test specimen to obtain the average value (kN/mm) of the five samples.
[アコースティックエミッション測定]
アコースティックエミッション測定システム(USB AE NODE AE計測システム 1ch、PAC社製)を用い、前記曲げ強度試験の3点曲げ用の治具の上の中央にアコースティックエミッションセンサ(R6a)を取り付け、23℃、50%RHの環境下での曲げ試験開始と同時にアコースティックエミッション信号を取得した。試験は、試験片の破壊後、最大荷重の80%となった時に停止した。
振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のアコースティックエミッション信号数をカウント1、振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のアコースティックエミッション信号数をカウント2として、カウント1、カウント2、及び総信号数を測定し、下記式により、AEカウントA及びAEカウントBを算出した。
(AEカウントA)=(振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
(AEカウントB)=(振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数)
[Acoustic Emission Measurement]
An acoustic emission measurement system (USB AE Node AE measurement system, 1 channel, manufactured by PAC Corporation) was used. An acoustic emission sensor (R6a) was attached to the center of the three-point bending jig used for the bending strength test, and an acoustic emission signal was acquired simultaneously with the start of the bending test in an environment of 23°C and 50% RH. The test was stopped when the load reached 80% of the maximum load after the test specimen broke.
Acoustic emission signals with an amplitude of 40 dB or more and a duration of 3500 μs or less were counted as Count 1, and acoustic emission signals with an amplitude of 25 to 30 dB and a duration of 1000 μs or less were counted as Count 2. Counts 1, Count 2, and the total number of signals were measured, and AE Count A and AE Count B were calculated using the following formulas.
(AE Count A) = (Number of AE signals with amplitude of 40 dB or more and duration of 3500 μs or less) / (Total number of AE signals)
(AE count B) = (Number of AE signals with amplitude 25-30 dB and duration 1000 μs or less) / (Total number of AE signals)
[振動疲労試験]
連続繊維強化樹脂複合材料からASTM-D1822引張衝撃ダンベルTypeSの試験片を用意し、EHF-EB50kN-40L(RV)(株式会社島津製作所)により、試験温度23℃、周波数20Hz、波形を正弦波、チャック間35mmとして、振動疲労試験を実施した。250MPaにおける振動疲労試験の判断回数が、20,000回以上のものを「〇(良好)」、20,000回未満のものを「×(不良)」とした。
[Vibration fatigue test]
Test specimens of the ASTM-D1822 tensile impact dumbbell Type S were prepared from continuous fiber-reinforced resin composite material, and vibration fatigue tests were conducted using an EHF-EB50kN-40L(RV) (Shimadzu Corporation) at a test temperature of 23°C, a frequency of 20Hz, a sinusoidal waveform, and a chuck distance of 35mm. Test specimens with 20,000 or more vibration fatigue cycles at 250 MPa were judged as "○ (good)", and those with fewer than 20,000 cycles were judged as "× (poor)".
[吸水率の測定]
連続繊維強化樹脂複合材料を真空乾燥機で80℃24時間乾燥し、質量を測り、絶乾状態の質量を得た。その後、80℃に設定した恒温水槽に18時間浸漬した後、質量を測り、絶乾状態の質量と比べて飽和吸水率(18時間吸水後の質量/絶乾状態の質量)(%)を得た。その後、80℃、57%RHの恒温恒湿槽中に150時間以上放置し、質量が一定になるまで調湿し、その時の質量と絶乾状態の質量から大気平衡吸水率(調湿後の質量/絶乾状態の質量)(%)を求めた。
[Measurement of water absorption rate]
Continuous fiber-reinforced resin composite material was dried in a vacuum dryer at 80°C for 24 hours, and its mass was measured to obtain the mass in the completely dry state. Subsequently, it was immersed in a constant temperature water bath set at 80°C for 18 hours, and its mass was measured again. The saturation water absorption rate (mass after 18 hours of water absorption / mass in the completely dry state) (%) was obtained by comparing it with the mass in the completely dry state. Then, it was left in a constant temperature and humidity bath at 80°C and 57% RH for more than 150 hours to adjust the humidity until the mass became constant, and the atmospheric equilibrium water absorption rate (mass after adjustment / mass in the completely dry state) (%) was determined from the mass at that time and the mass in the completely dry state.
[結晶化度]
示差走査型熱量計(島津製作所製DSC-60)を用い、試料量は連続繊維強化樹脂複合材料に含まれる樹脂分で約5mgとし、雰囲気ガスの流速30mL/分、昇温温度10℃/分の条件で、室温(25℃)から予想される融点以上の温度まで試料を加熱し溶融させた際に測定される融解熱量を、完全融解熱量で除した値から、結晶化度(%)を求めた。完全融解熱量は188J/gとした。
[Crystallization]
Using a differential scanning calorimeter (DSC-60, Shimadzu Corporation), the sample amount was approximately 5 mg, representing the resin content of the continuous fiber-reinforced resin composite material. Under conditions of an atmospheric gas flow rate of 30 mL/min and a heating rate of 10°C/min, the sample was heated from room temperature (25°C) to a temperature above the expected melting point. The degree of crystallinity (%) was determined by dividing the measured heat of fusion by the total heat of fusion. The total heat of fusion was assumed to be 188 J/g.
実施例、参考例、比較例で用いた材料は以下のとおりである。
[連続強化繊維]
(ガラス繊維)
ガラス繊維1:ER1200T-423(日本電気硝子株式会社)(単糸数2000本、直径17μm、繊度1.15g/m)
ガラス繊維2:繊度1.15g/mで単糸数1500本のガラス繊維100質量%に対し、集束剤を0.45質量%付着させたものを製造した。巻き取り形態はDWRであり、平均単糸径は約17μmとした。上記集束剤は、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(KBE-903、信越化学工業株式会社製)0.5質量%、カルナウバワックス1質量%、ポリウレタン樹脂(Y65-55、株式会社ADEKA製)2質量%、共重合化合物(無水マレイン酸40質量%、アクリル酸メチル50質量%、及びメタクリル酸メチル10質量%を共重合させた、重量平均分子量が20000である共重合化合物)3質量%、となるように脱イオン水で調製することで作製した。
(炭素繊維)
トレカT300(東レ株式会社)(単糸数12000本、直径9μm、繊度2.58g/m)
The materials used in the examples, reference examples, and comparative examples are as follows:
[Continuous Reinforced Fiber]
(Glass fiber)
Glass fiber 1: ER1200T-423 (Nippon Electric Glass Co., Ltd.) (2000 single filaments, 17 μm diameter, 1.15 g/m fineness)
Glass fiber 2: A sizing agent was attached to 0.45% by mass of 100% by mass of glass fibers with a fineness of 1.15 g/m and 1500 single filaments. The winding form was DWR, and the average single filament diameter was approximately 17 μm. The sizing agent was prepared by mixing 0.5% by mass of γ-aminopropyltriethoxysilane (KBE-903, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), 1% by mass of carnauba wax, 2% by mass of polyurethane resin (Y65-55, manufactured by ADEKA Corporation), and 3% by mass of a copolymer compound (a copolymer compound with a weight-average molecular weight of 20,000, obtained by copolymerizing 40% by mass of maleic anhydride, 50% by mass of methyl acrylate, and 10% by mass of methyl methacrylate).
(Carbon fiber)
Toray T300 (Toray Industries, Inc.) (12,000 single filaments, 9 μm diameter, 2.58 g/m fineness)
[連続強化繊維基材の作製]
ガラスクロス1、ガラスクロス2:レピア織機(織幅1m)を用い、上記ガラス繊維1を経糸、緯糸として用いて製織することでガラスクロスを製造した。得られたガラスクロスの織形態は、ガラスクロス1(平織、織密度は6.5本/25mm、目付は640g/m2)、ガラスクロス2(平織、織密度は6.5本/25mm、目付は660g/m2)であった。
ガラスクロス3:レピア織機(織幅1m)を用い、上記ガラス繊維2を経糸、緯糸として用いて製織することでガラスクロス3を製造した。得られたガラスクロス3の織形態は、平織、織密度は6.5本/25mm、目付は500g/m2であった。
炭素繊維クロス:レピア織機(織幅1m)を用い、上記炭素繊維を経糸、緯糸として用いて製織することで炭素繊維クロスを製造した。得られた炭素繊維クロスの織形態は、平織、織密度は6.5本/25mm、目付は425g/m2であった。
[Preparation of continuous reinforced fiber substrates]
Glass cloth 1 and glass cloth 2: Glass cloths were manufactured by weaving using a rapier loom (weaving width 1 m) with the above glass fiber 1 used as warp and weft threads. The resulting glass cloths had the following weave forms: Glass cloth 1 (plain weave, weave density 6.5 threads/25 mm, weight 640 g/ m² ), and Glass cloth 2 (plain weave, weave density 6.5 threads/25 mm, weight 660 g/ m² ).
Glass cloth 3: Glass cloth 3 was manufactured by weaving using the above glass fibers 2 as warp and weft threads on a rapier loom (weaving width 1 m). The resulting glass cloth 3 had a plain weave, a weave density of 6.5 threads/25 mm, and a basis weight of 500 g/ m² .
Carbon fiber cloth: Carbon fiber cloth was manufactured by weaving using the above carbon fibers as warp and weft threads on a rapier loom (weaving width 1 m). The resulting carbon fiber cloth had a plain weave, a weave density of 6.5 threads/25 mm, and a basis weight of 425 g/ m² .
[熱可塑性樹脂]
樹脂1:PA66(レオナ1300S、旭化成(株))(カルボキシル末端基量70μmol/g、アミノ末端基濃度30μmol/g、tanδのピーク温度:50℃)
樹脂2:樹脂1とPA6I(レオナ7000、旭化成(株))とのドライブレンド品(PA66:PA6I=2:1)(カルボキシル末端基濃度120μmol/g、アミノ末端基濃度40μmol/g、tanδのピーク温度:110℃)
樹脂3:ポリプロピレン((株)プライムポリマー)(末端基濃度0μmol/gtanδのピーク温度:0℃)
樹脂4:マレイン酸変性ポリプロピレン(理研ビタミン(株))(末端基濃度21μmol/g、tanδのピーク温度:0℃)
樹脂5:PA6(1011FB、宇部興産(株))(カルボキシル末端基濃度60μmol/g、アミノ末端基濃度30μmol/g、tanδのピーク温度:50℃))
樹脂6:PA6I(レオナ7000、旭化成(株))(カルボキシル末端基濃度200μmol/g、アミノ末端基濃度60μmol/g、tanδのピーク温度:130℃)
樹脂7:PPS(東レ(株))(tanδのピーク温度:90℃)
(熱可塑性樹脂の末端基濃度)
各熱可塑性樹脂の末端基濃度は、1H-NMRを用い、以下の測定条件にて測定した。
1H-NMRの測定条件
装置 :JEOL-ECA500(日本電子(株)社)
観測核 :1H
観測周波数 :500MHz
測定法 :Single-Plus
パルス幅 :30°
待ち時間 :10秒
積算回数 :256回
溶媒 :D2SO4
試料濃度 :1.25質量%
化学シフト基準:PA66主鎖3.04ppm
[Thermoplastic resin]
Resin 1: PA66 (Leona 1300S, Asahi Kasei Corporation) (carboxyl-terminal group content 70 μmol/g, amino-terminal group concentration 30 μmol/g, tanδ peak temperature: 50°C)
Dry blend of resin 2: resin 1 and PA6I (Leona 7000, Asahi Kasei Corporation) (PA66:PA6I = 2:1) (carboxyl terminal group concentration 120 μmol/g, amino terminal group concentration 40 μmol/g, tanδ peak temperature: 110°C)
Resin 3: Polypropylene (Prime Polymer Co., Ltd.) (Peak temperature at terminal group concentration of 0 μmol/gtanδ: 0°C)
Resin 4: Maleic acid-modified polypropylene (Riken Vitamin Co., Ltd.) (End group concentration 21 μmol/g, tanδ peak temperature: 0°C)
Resin 5: PA6 (1011FB, Ube Industries, Ltd.) (carboxyl-terminal group concentration 60 μmol/g, amino-terminal group concentration 30 μmol/g, tanδ peak temperature: 50°C)
Resin 6: PA6I (Leona 7000, Asahi Kasei Corporation) (carboxyl terminal group concentration 200 μmol/g, amino terminal group concentration 60 μmol/g, tanδ peak temperature: 130°C)
Resin 7: PPS (Toray Industries, Inc.) (Peak temperature of tanδ: 90°C)
(End group concentration of thermoplastic resins)
The end group concentrations of each thermoplastic resin were measured using 1H -NMR under the following measurement conditions.
1. Measurement conditions for H-NMR: Equipment: JEOL-ECA500 (JEOL Ltd.)
Observed nucleus: 1H
Observation frequency: 500 MHz
Measurement method: Single-Plus
Pulse width: 30°
Waiting time: 10 seconds ; Number of cumulative steps: 256; Solvent: D₂SO₄
Sample concentration: 1.25% by mass
Chemical shift reference: PA66 main chain 3.04 ppm
[熱可塑性樹脂フィルムの作製]
Tダイ押し出し成形機(株式会社創研製)を用いて成形することで熱可塑性樹脂フィルムを得た。熱可塑性樹脂フィルムの厚さは200μmであった。
[Fabrication of thermoplastic resin films]
A thermoplastic resin film was obtained by molding using a T-die extrusion molding machine (manufactured by Soken Co., Ltd.). The thickness of the thermoplastic resin film was 200 μm.
[実施例1]
樹脂1を用いて、前記方法で熱可塑性樹脂フィルム1を得た。
ガラスクロス1を5枚と熱可塑性樹脂フィルム1を6枚準備し、熱可塑性樹脂フィルム1が表面となるようにガラスクロス1と熱可塑性樹脂フィルム1とを交互に重ねて成形を行い、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。この時、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
成形機として、ダブルベルトプレス機を使用した。上記ガラスクロスと上記熱可塑性樹脂フィルム1とを上記のように重ねて成形機に設置し、昇温速度280℃/分、圧力3MPa、ベルト速度0.5m/minで圧縮し、その後、冷却速度を80℃/分とし、3MPaで3分間、冷却圧縮し、成形を行った。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 1]
A thermoplastic resin film 1 was obtained using resin 1 by the method described above.
Five sheets of glass cloth 1 and six sheets of thermoplastic resin film 1 were prepared. The glass cloth 1 and thermoplastic resin film 1 were alternately layered and molded so that the thermoplastic resin film 1 was on the surface, thereby obtaining a continuous fiber-reinforced resin composite material. At this time, the proportion of thermoplastic resin added was 50%.
A double-belt press was used as the molding machine. The glass cloth and the thermoplastic resin film 1 were stacked as described above and placed in the molding machine. Compression was performed at a heating rate of 280°C/min, a pressure of 3 MPa, and a belt speed of 0.5 m/min. Then, the cooling rate was set to 80°C/min, and the material was cooled and compressed at 3 MPa for 3 minutes to complete the molding process.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例2]
熱可塑性樹脂として樹脂2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 2]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 2 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例3]
熱可塑性樹脂として樹脂3を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 3]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 3 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[参考例4]
連続強化繊維基材として炭素繊維クロスを用いたこと以外は実施例2と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。なお、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[ Reference example 4]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 2, except that carbon fiber cloth was used as the continuous reinforcing fiber base material. The proportion of thermoplastic resin added was 50%.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例5]
連続強化繊維基材としてガラスクロス2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。なお、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 5]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that glass cloth 2 was used as the continuous reinforcing fiber base material. The proportion of thermoplastic resin added was 50%.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例6]
熱可塑性樹脂として樹脂4を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 6]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 4 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例7]
熱可塑性樹脂として樹脂5を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 7]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 5 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[参考例8]
熱可塑性樹脂として樹脂6を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[ Reference example 8]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 6 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例9]
上記ガラス繊維1(100質量%)に対し、集束剤として、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(KBM-402、信越化学工業株式会社)0.3質量%、エポキシ樹脂エマルジョン1.5質量%、カルナウバワックス0.2質量%の混合物を付着させたガラス繊維を用いて、平織、織密度は6.5本/25mm、目付640g/m2のガラスクロスを製造した。このガラスクロスを5枚積層させて金型に設置し、そこにビスフェノールA型液状エポキシ樹脂(jER828、三菱化学(株))16gとビスフェノールA(4、4′-(プロパンー2,2-ジイル)ジフェノール1.6gとの混合樹脂を投入し、成形機内の温度を40℃に設定し、型締め力5MPaで3日間圧縮成形を行い、冷却速度80℃/分、型締め力5MPaで、8分間冷却して、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。なお、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 9]
Glass cloth with a plain weave, a weave density of 6.5 strands/25 mm, and a basis weight of 640 g/m² was produced using glass fibers to which a mixture of 0.3% by mass of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (KBM-402, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), 1.5% by mass of epoxy resin emulsion, and 0.2% by mass of carnauba wax was attached as a sizing agent to the above glass fiber 1 (100% by mass). Five layers of this glass cloth were stacked and placed in a mold. A mixed resin of 16 g of bisphenol A type liquid epoxy resin (jER828, Mitsubishi Chemical Corporation) and 1.6 g of bisphenol A (4,4'-(propane-2,2-diyl)diphenol) was poured into the mold. The temperature inside the molding machine was set to 40°C, and compression molding was performed for 3 days with a clamping force of 5 MPa. The material was then cooled for 8 minutes at a cooling rate of 80°C/min and a clamping force of 5 MPa to obtain a continuous fiber-reinforced resin composite material. The proportion of thermoplastic resin in the volume of the mixture was 50%.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例10]
熱可塑性樹脂として樹脂7を用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 10]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 7 was used as the thermoplastic resin.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[実施例11]
熱可塑性樹脂として樹脂2を用い、連続強化繊維基材としてガラス繊維1を目付640g/m2となるように引き揃えたものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。なお、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Example 11]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that resin 2 was used as the thermoplastic resin and glass fibers 1 were arranged to have a basis weight of 640 g/ m² as the continuous reinforcing fiber base material. The proportion of the thermoplastic resin in the filling volume was 50%.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[比較例1]
上記ガラス繊維1(100質量%)に対し、集束剤として、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(KBM-402、信越化学工業株式会社)0.3質量%、エポキシ樹脂エマルジョン1.5質量%、カルナウバワックス0.2質量%の混合物を付着させたガラス繊維を用いて、平織、織密度は6.5本/25mm、目付600g/m2のガラスクロスを製造して用いたこと以外は実施例1と同様にして、連続繊維強化樹脂複合材料を得た。なお、熱可塑性樹脂の仕込み体積の割合は50%であった。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A continuous fiber-reinforced resin composite material was obtained in the same manner as in Example 1, except that a glass cloth was manufactured using glass fibers to which a mixture of 0.3% by mass of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (KBM-402, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), 1.5% by mass of epoxy resin emulsion, and 0.2% by mass of carnauba wax was attached as a sizing agent to the above glass fiber 1 (100% by mass). The glass cloth was plain woven, with a weave density of 6.5 fibers/25 mm and a basis weight of 600 g/ m² . The proportion of thermoplastic resin added was 50%.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
[比較例2]
ポリアミド66をガラスクロスに含浸したBond Laminate製「Tepex dynalite 101」を用いて、実施例1と同様の評価を行った。
得られた連続繊維強化樹脂複合材料の各物性を表1に示す。
[Comparative Example 2]
The same evaluation as in Example 1 was performed using Bond Laminate's "Tepex dynalite 101," which is glass cloth impregnated with polyamide 66.
Table 1 shows the properties of the obtained continuous fiber-reinforced resin composite material.
本実施形態の連続繊維強化樹脂複合材料は、各種機械や自動車等の構造部品等、高レベルでの機械的物性が要求される材料の補強材として、また、熱可塑性樹脂組成物との複合成形体材料として、産業上の利用可能である。 The continuous fiber-reinforced resin composite material of this embodiment is industrially applicable as a reinforcing material for materials requiring high levels of mechanical properties, such as structural components for various machines and automobiles, and as a composite molded material with thermoplastic resin compositions.
Claims (7)
下記式で求められる前記連続繊維強化樹脂複合材料のアコースティックエミッション(AE)カウントAが0.16以下であり、
前記連続繊維強化樹脂複合材料の界面量が100,000m-1以上であり、
前記熱可塑性樹脂の結晶化度が20~40%であり、且つ
前記連続強化繊維基材の目付が637g/m2以上である
ことを特徴とする、連続繊維強化樹脂複合材料。
(AEカウントA)=(振幅40dB以上かつ持続時間3500μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数) A continuous fiber-reinforced resin composite material comprising a continuous fiber substrate and a thermoplastic resin,
The acoustic emission (AE) count A of the continuous fiber-reinforced resin composite material, calculated using the following formula, is 0.16 or less.
The interface content of the continuous fiber-reinforced resin composite material is 100,000 m⁻¹ or more.
The degree of crystallinity of the thermoplastic resin is 20 to 40%, and the basis weight of the continuous reinforcing fiber substrate is 637 g/ m² or more.
A continuous fiber-reinforced resin composite material characterized by the following features .
(AE Count A) = (Number of AE signals with amplitude of 40 dB or more and duration of 3500 μs or less) / (Total number of AE signals)
(AEカウントB)=(振幅25~30dBかつ持続時間1000μ秒以下のAE信号数)/(総AE信号数) A continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the AE count B calculated by the following formula is 1.1 × 10⁻³ or more.
(AE count B) = (Number of AE signals with amplitude 25-30 dB and duration 1000 μs or less) / (Total number of AE signals)
前記連続繊維強化樹脂複合材料の界面量が100,000m-1以上であり、昇温速度が200~330℃/分であり、冷却速度が10~120℃/分であり、
前記熱可塑性樹脂の結晶化度が20~40%であり、且つ
前記連続強化繊維基材の目付が637g/m2以上である
ことを特徴とする、製造方法。
A method for producing a continuous fiber-reinforced resin composite material according to any one of claims 1 to 6,
The interface area of the continuous fiber-reinforced resin composite material is 100,000 m⁻¹ or more, the heating rate is 200 to 330°C/min, and the cooling rate is 10 to 120°C/min.
The degree of crystallinity of the thermoplastic resin is 20 to 40%, and the basis weight of the continuous reinforcing fiber substrate is 637 g/ m² or more.
A manufacturing method characterized by the following features .
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