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JP2004256961A - Method for producing reinforcing fiber substrate and method for producing composite material by using the substrate - Google Patents

Method for producing reinforcing fiber substrate and method for producing composite material by using the substrate Download PDF

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JP2004256961A
JP2004256961A JP2003050493A JP2003050493A JP2004256961A JP 2004256961 A JP2004256961 A JP 2004256961A JP 2003050493 A JP2003050493 A JP 2003050493A JP 2003050493 A JP2003050493 A JP 2003050493A JP 2004256961 A JP2004256961 A JP 2004256961A
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JP
Japan
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reinforcing fiber
yarn
width
fiber base
producing
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Application number
JP2003050493A
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Japanese (ja)
Inventor
Eisuke Wadahara
英輔 和田原
Kiyoshi Honma
清 本間
Ikuo Horibe
郁夫 堀部
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a reinforcing fiber substrate to obtain a composite material having high impregnation rate of a matrix resin and excellent mechanical properties in high productivity, concretely excellent quality stability, and provide a method for producing a composite material by impregnating a matrix resin to the reinforcing fiber substrate. <P>SOLUTION: The method for the production of a carbon fiber substrate at least contains (A) a step to draw out reinforcing fiber yarns at an original yarn width Wo, (B) a narrowing step to narrow the yarn width to Wn corresponding to >20% and <85% of the original yarn width and (C) a widening step to widen the yarn width to the target width Wt corresponding to >110% of the narrowed width Wn and narrower than the original yarn width Wo. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂の含浸が良好で、力学特性(特に圧縮強度)に優れる複合材料を生産性良く得られるだけでなく、その品質安定性にも優れた強化繊維基材の製造方法およびその強化繊維基材を用いる複合材料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強化繊維を用いた複合材料(以下、FRPと記す)は、優れた力学的特性、軽量化等の要求特性を満たすことから主に航空・宇宙、スポーツ用途に用いられてきた。これらFRPの生産性に優れる成形法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング(RTM)成形法が挙げられる。かかるRTM成形法では、マトリックス樹脂が含浸されていない、ドライな強化繊維基材を成形型の中に配置して、液状のマトリックス樹脂を強制的に注入することにより強化繊維中にマトリックス樹脂を含浸させてFRPを成形する。
【0003】
ところがこのRTM成形法は、一般的にはFRPの生産性には優れるが、用いる強化繊維基材(例えばドライな強化繊維織物等)の含浸性が悪いと含浸時間が長くなるだけでなく、FRPにボイド等が発生して歩留まりも低下し、生産性を低下させる問題があった。上記問題に対し、例えば特許文献1には、炭素繊維織布の開口率の差異により、厚み方向の含浸性を改善する旨の記載がある。また、特許文献2には、一方向性の炭素繊維織物における炭素繊維糸条間の隙間により、含浸性を改善する旨の記載がある。
【0004】
しかしながら、かかる強化繊維基材は、その製造にあたって開口率や隙間を大きくした状態で均一に制御するのが困難で、その品質が不安定であった。ここで、開口率や隙間が不均一ということは、強化繊維糸条の横の空隙が広かったり、狭かったりすることを意味する。つまり、強化繊維基材の取扱時やマトリックス樹脂の注入時に、強化繊維が特に空隙が広い領域と狭い領域との間で相対的に蛇行、屈曲を誘発し、その真直性を局所的に阻害する問題を引き起こしていた。これにより強化繊維の特性を十分発現できずに、FRPの力学特性(特に圧縮強度)を損なうのである。
【0005】
つまり、従来提案によると、特に圧縮強度に優れる複合材料が生産性よく得られ、かつ、品質安定性に優れる強化繊維基材の製造方法は確立されておらず、これら要求を満たす技術が渇望されていた。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−37904号公報(第4頁、段落0014)
【0007】
【特許文献2】
特開平11−107107号公報(第8頁、段落0068)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マトリックス樹脂の含浸が良好で、力学特性(特に圧縮強度)に優れる複合材料を生産性良く得られるだけでなく、その品質安定性にも優れた強化繊維基材の製造方法および強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸してなる複合材料の製造方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の強化繊維基材の製造方法は、少なくとも一方向に平行に配列した強化繊維糸条から構成される強化繊維基材の製造方法であって、次の(A)〜(C)の工程を経ることを特徴とするものである。
【0010】
(A)元糸幅Woの強化繊維糸条を引き出す引出工程。
【0011】
(B)糸条幅を、元糸幅Woの20%を超え85%未満の規制幅Wnに狭める狭幅工程。
【0012】
(C)糸条幅を、規制幅Wnの110%を超え元糸幅Wo未満の目標幅Wtに広げる拡幅工程。
【0013】
また、本発明の複合材料の製造方法は、上記課題を解決するために、少なくとも前記方法で製造した強化繊維基材を用いる複合材料の製造方法であって、次の(E)〜(G)の工程を経ることを特徴とするものである。
【0014】
(E)強化繊維基材を、成形型に配置してキャビティを形成するセット工程。
【0015】
(F)マトリックス樹脂を、キャビティ内に注入して強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる注入工程。
【0016】
(G)マトリックス樹脂を固化させて複合材料とする固化工程。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の強化繊維基材の製造方法は、前述したように、少なくとも次の(A)〜(C)の工程を経る。また、より本発明の効果を高く発現させるために、(C)の拡幅工程と同時またはそれ以降に、次の(D)の工程を含むことができる。
【0018】
(A)元糸幅Woの強化繊維糸条を引き出す引出工程。
【0019】
(B)糸条幅を、元糸幅Woの20%を超え85%未満である規制幅Wnに狭める狭幅工程。
【0020】
(C)糸条幅を、規制幅Wnの110%を超え元糸幅Wo未満である目標幅Wtに広げる拡幅工程。
【0021】
(D)強化繊維基材100重量%に対して0.1〜20重量%の樹脂材料を接着して、強化繊維糸条の幅を固定する固定工程。
【0022】
本発明において、上記「強化繊維基材」とは、詳細は後述するが、少なくとも一方向に平行に配列した強化繊維糸条から構成される布帛等を意味する。
【0023】
その「元糸幅Wo」とは、後述の(A)引出工程にて、強化繊維糸条が巻かれているボビン上やビーム上の引き出す前の糸条幅であって、強化繊維基材の全幅方向にわたり均等間隔に選択した50本の平均値を意味する。
【0024】
また、「糸条幅」とは、強化繊維糸条が三次元的な糸道を通過する場合があるため、その箇所での強化繊維糸条の長手方向の垂直方向に最も広くなっている幅を、強化繊維基材の全幅方向にわたり均等間隔に選択した50本測定した平均値を意味する。
【0025】
一般的に、強化繊維糸条は用途専用のものを適用することは希であり、既に市販されているものを用途毎に使いこなすのが一般的である。本発明は、元糸幅Woよりも目標幅Wtが狭い強化繊維基材を製造する場合において、元糸幅Woの強化繊維糸条の糸条幅を、元糸幅Woの20%を超え85%未満である規制幅Wnに一旦狭め、しかる後に規制幅Wnの110%を超え且つ元糸幅Wo未満の目標幅Wtに拡げることにより、本発明の課題を解決できることを見いだしたものである。つまり、元条幅Woを規制幅Wnに狭めずに、直接に目標幅Wtに狭めるべく糸条幅を制御すると、目標幅Wtに正確に制御できないだけでなく、その安定性にも劣り、本発明の課題を解決できない。かかる(B)の狭幅工程および(C)の拡幅工程を経て目標幅Wtにすることにより、目標幅Wtに正確かつ安定して制御することができる。このことにより、後述の強化繊維糸条の隙間やカバーファクターを所望の範囲内に均一に制御でき、すなわち品質安定性に優れ、強化繊維糸条の蛇行、屈曲が抑制し、その真直性に優れる強化繊維基材を得ることができるのである。このようにして得られた強化繊維基材を用いた複合材料は、力学特性、特に圧縮強度に優れる効果を有する。
【0026】
図1は本発明の製造工程の流れを説明する概略工程図である。各工程について、以下に詳細に説明する。
【0027】
(A)引出工程(図1中1)
元糸幅Woの強化繊維糸条を、例えばクリールスタンドに掛けられているボビンから直接引き出したり、部分整経されたビーム等から引き出す等の方法により引き出す。強化繊維基材の幅は通常0.2m〜2.54mであるので、多数の強化繊維糸条を用いるのが一般的である。
【0028】
(B)狭幅工程(図1中2)
糸条幅を、元糸幅Woの20%を超え85%未満の規制幅Wnに狭める。より好ましいWnは、Woの30%を超え65%未満、更に好ましくはWoの35%を超え50%未満である。かかるWnが、Woの25%以下であると、後述の(C)の拡幅工程にて目標幅Wtまで拡幅できないだけでなく、強化繊維糸条から毛羽が大量に発生して製造が困難になる。一方、Woの85%以上であると、Wnに糸条幅を狭める意味が希薄となり、本発明の効果が発現しない。
【0029】
糸条幅をWnに規制する手段としては、規制ガイドの通過、液体を付与して乾燥する時の表面張力、それらの組み合わせ等が挙げられるが、好ましいものとして、糸条幅よりも狭い寸法を有するガイドに強化繊維糸条を通過させる方法が挙げられる。かかるガイドは、少なくとも1つ通過させればよいが、より精度よく規制幅にするには、複数のガイドを通過させるのがよい。この場合、最小に狭められた幅を本発明の規制幅Wnとする。
【0030】
かかるガイドとしては、櫛型、溝型等のものが挙げられ、特に織機においては、綜絖または筬をガイドとすることができる。より好ましくは、元糸幅Woよりも狭い内寸を有する綜絖および筬を通過させるのがよい。この場合、綜絖における実際に強化繊維糸条が通過するメールの内寸を、筬の内寸よりも更に小さいものとするのが特に好ましい。つまり、綜絖で規制幅Wnにし、筬でWnよりも大きい糸条幅にすると、後述(C)の拡幅工程での安定性が増し、本発明の効果を最大限に発現することができるのである。
【0031】
(C)拡幅工程(図1中3)
糸条幅を、規制幅Wnの110%を超え元糸幅Wo未満の目標幅Wtに広げる。より好ましいWtは、Wnの130%を超えWoの95%未満、更に好ましくはWnの150%を超え元糸幅Woの90%未満であるである。かかるWtが、Wnの110%以下であると、本工程にて拡幅する意味が希薄となり、本発明の効果が発現しない。一方、Wo以上であると、前述の(B)の狭幅工程を経る意味が希薄となり、本発明の効果が発現しない。
【0032】
糸条幅をWtに拡幅する手段としては、圧縮気体や流体の吹き付け、バー(振動バー、張力変動バー、擦過バー等)の通過、液中での振動(超音波等)付与、加圧、それらの組み合わせ等が挙げられるが、好ましいものとして、接触角度が10°以上のバー(以下、拡幅バーと略称)に強化繊維糸条を通過させる方法が挙げられる。かかるバーとは、ロール、棒、板等の強化繊維糸条に接触し、拡幅効果を有するものの総称名である。かかる拡幅バーとしては、固定型、フリー型、駆動型等が挙げられ、特に織機においては、織前で開口を規制するバーまたはニップロールを拡幅バーとすることができる。より好ましくは、開口を規制する固定バーおよびニップロールを通過させるのがよい。
【0033】
以上の(A)〜(C)工程を経る本発明の製造方法に依れば、目標幅Wtに正確かつ安定して制御することができる。また、このことにより、後述の強化繊維糸条の隙間やカバーファクターも所望の範囲内に均一に制御できるのである。このようにして得られた強化繊維基材を用いた複合材料は、力学特性、特に圧縮強度に優れるという優れた効果を奏する。
【0034】
(D)固定工程(図1中4)
本発明の製造方法は、ここで説明する固定工程をさらに経れば、より優れた効果を得ることができる。すなわち、ここでの固定工程は、樹脂材料を接着して、強化繊維糸条の幅を固定する。かかる樹脂材料は、強化繊維基材100重量%に対して0.1〜20重量%であるのが好ましい。0.1重量%未満では強化繊維基材を取扱う際の基材の形態安定性に劣る。20重量%を超えると複合材料を得る際にマトリックス樹脂の含浸を妨げる場合がある。
【0035】
かかる樹脂材料は、強化繊維基材の表面(片面、両面のいずれでもよい)に接着してもよいし、強化繊維基材の全面にわたって被覆して接着してもよい。
【0036】
強化繊維基材の表面に樹脂材料を接着する場合、好ましい手段としては、例えば次の(d1)、(d2)の方法が挙げられる。
【0037】
(d1)固体状の樹脂材料を塗布または貼り合わせた後、樹脂材料を溶融させて、強化繊維糸条に接着する。この場合、樹脂材料として不織布、織物、編物、繊維、粒子等を用いることができる。樹脂材料として、不織布を用いると、樹脂材料の量を簡易に制御することができるため好ましい。一方、粒子を用いると、微視的に均一な分散が可能になるため好ましい。粒子の塗布装置としては、帯電スプレー、流動床、接触ロール(キスロール、ドットロール等)、非接触ロール(掻き落としロール等)等、均一に塗布できるものなら任意のものを使用することができる。図2は、(d1)の方法で粒子状の樹脂材料をノンクリンプ構造の一方向織物に接着した、本発明の製造方法で製造された強化繊維基材の一実施態様の平面図である。強化繊維基材21の上に樹脂材料24が不連続に点状に分散している。
【0038】
(d2)溶融している樹脂材料を塗布して強化繊維糸条に接着する。この場合、例えばメルトブロー法を用いると、強化繊維基材の表面に直接かつ同時に、不織布を形成、接着することができ、効率的な工程とすることができる。
【0039】
(d1)、(d2)の方法の場合、樹脂材料は強化繊維基材100重量%に対して2〜20重量%であるのが好ましい。かかる方法により樹脂材料を強化繊維基材の表面に接着すると、強化繊維糸条の幅を固定して基材の形態安定性を発現するだけでなく、樹脂材料が複合材料の基材層間のクラックストッパーになることにより、衝撃を受けた時に層間の損傷を抑制でき、耐衝撃特性(特にCompression After Impact、CAIと略称)に優れるという効果を発現する。更に、樹脂材料は、それ自体がスペーサーとなってマトリックス樹脂を含浸する際の流路を形成し、特に注入成形に供した際に含浸が容易になるだけでなく、含浸する速度も速くなり複合材料の生産性にも優れるといった予想外の効果をも発現する。
【0040】
一方、強化繊維基材の全面にわたって被覆して接着する場合、好ましい手段としては、例えば次の(d3)の方法が挙げられる。
【0041】
(d3)溶媒中に溶解または分散した樹脂材料を塗布した後に脱溶媒して強化繊維糸条に接着する。この場合、樹脂材料が高濃度に溶解または分散した液体を用いると、脱溶媒が容易かつ安価にできるため好ましい。高濃度化のために、力学特性に悪影響を及ぼさない範囲で、乳化剤等を用いることができる。また、塗布装置としては、インクジェットやスクリーン等の印刷装置、スプレー、接触ロール(キスロール、タッチロール等)等、均一に塗布できるものなら任意のものを使用することができ、中でも接触ロールが最も好ましい。なお、ここでいう溶媒とは、無機溶媒、有機溶媒、水等の樹脂材料を溶解または分散できる液体の総称名である。
【0042】
この場合、樹脂材料は強化繊維基材100重量%に対して0.5〜5重量%であるのが好ましい。かかる方法により樹脂材料を強化繊維基材の全面にわたって被覆して接着すると、より少ない樹脂材料の量で強化繊維糸条の幅を固定して基材の形態安定性を発現することができる。また、脱溶媒時は強化繊維糸条に表面張力がかかるため、容易に強化繊維基材の隙間等を大きくかつ正確に制御できるという予想外の効果をも発現する。
【0043】
本発明の強化繊維基材は、例えば二次元の一方向性、二方向性、あるいはそれ以上の方向性を有する織物、三次元の多方向性織物、編物、多軸挿入基材、一方向に引きそろえられた強化繊維シート(一方向性シート)、一方向性シートを二方向以上積層して一体化した多軸シート等が挙げられ、それらはステッチ糸、結節糸、樹脂成分等により接合され複数のものが一体化しているものでもよい。
【0044】
特に輸送機器の構造部材(特に航空機の一次構造部材)として用いる場合、非常に高い力学特性(圧縮強度、CAI等)が要求されるが、例えば二方向性織物では強化繊維糸条を二方向に織組織すること、たて糸とよこ糸との交錯点での強化繊維糸条のクリンプが大きくなることにより、要求に耐え得る力学特性が発現しにくい場合がある。つまり、かかる問題が確実に解消できる点で、本発明の強化繊維基材としては、一方向性織物、一方向性シートまたはそれらの複数が一体化されたものが好ましい。更に、マトリックス樹脂の含浸の面を考慮すると、たて糸である強化繊維糸条が規則的に隙間を有し、かつたて糸とよこ糸との交絡による極めて小さいクリンプが形成されている一方向性織物がとりわけ好ましい。かかる隙間および極めて小さいクリンプはマトリックス樹脂の含浸流路となり、格段に含浸性を向上させる効果を奏する。
【0045】
かかる一方向性織物をより詳しく説明する。一方向性織物は、一方向に互いに平行に配列されたたて糸(強化繊維糸条)と、それと直交するよこ糸(補助繊維糸条)とが互いに交錯して平織組織、綾織組織、朱子織組織等を構成したものである。よこ糸である補助繊維糸条は、たて糸とよこ糸との交錯点でのたて糸の屈曲(クリンプ)を小さくし、本発明の効果を最大限に発現させるために、たて糸に用いる強化繊維糸条の断面積の1/10以下、より好ましくは1/100以下であるものが好ましい。かかる断面積とは、糸条を構成する単繊維の断面積の合計である。また、かかるよこ糸の織密度は、形態安定性と、力学特性への影響の最小限化とのバランスの面から、0.3〜6本/cmであるのが好ましい。より好ましくは1〜4本/cmである。
【0046】
本発明の好ましく用いられる一方向性織物としては、前記織組織以外にも次に述べるノンクリンプ構造も含まれる。ノンクリンプ構造の一方向性織物は、たて糸と平行に配列された補助たて糸(たて補助繊維糸条)と、それと直交するよこ糸(補助繊維糸条)とが互いに交錯して、たて糸(強化繊維糸条)が一体に保持されたものである。かかるノンクリンプ構造によると、平織組織よりも更にクリンプを小さくできるため、本発明の効果を更に高く発現させることができる。また、樹脂含浸の面からも、補助たて糸の存在により含浸流路が更に確実に確保され、非常に優れた含浸性を発現する。これら一方向性織物自体については、例えば特開平7−243149号公報等に詳しい記載がある。
【0047】
なお、強化繊維基材において、本発明の効果を最大限に発現させる強化繊維糸条の目付は50〜350g/m、好ましくは150〜270g/mである。
【0048】
本発明によると、目標幅Wtが正確に規制されたものが得られる結果、強化繊維糸条の隙間、強化繊維糸条の糸条幅の変動率、カバーファクター等を正確かつ安定に制御して製造することができる。かかる観点から、本発明の製造方法により製造される強化繊維基材は、強化繊維糸条の隙間が0.1〜1mmに制御されたものであるのが好ましい。より好ましくは0.2〜0.7mm、更に好ましくは0.3〜0.6mmである。0.1mm未満であるとマトリックス樹脂の含浸性に劣ることを意味し、1mmを越えると隙間が大きくなりすぎ、複合材料にした場合に樹脂リッチ部分を多く形成することによる力学特性の低下、サーマルクラックの発生等が起こるため好ましくない。かかる強化繊維糸条の隙間は、平面状にした強化繊維基材をその垂線方向から見て、基材中の強化繊維糸条の隙間を指し、本発明においては前述の補助繊維糸条、たて補助繊維糸条、ステッチ糸等は存在しないものとして扱い、強化繊維基材の全幅方向にわたり、均等間隔に選択した50本の平均値を用いた。
【0049】
また、本発明の製造方法により製造される強化繊維基材は、強化繊維糸条の糸条幅の変動率が0〜10%に制御されたものであるのが好ましい。より好ましくは0〜9%、更に好ましくは0〜8%である。10%を超えると、複合材料にした場合、強化繊維糸条が細い箇所と太い箇所との間で、マトリックス樹脂の含浸速度が異なることによるボイド形成の問題や、強化繊維糸条の相対的に蛇行、屈曲を誘発し、その真直性を局所的に阻害する。かかる糸条幅は、平面状にした強化繊維基材をその垂線方向から見た時の幅を指し、強化繊維基材の全幅方向にわたり、均等間隔に選択した50本の平均値を用いた。かかる変動率は、強化繊維糸条の長手方向に25mm間隔で20箇所の糸条幅を測定し、それらの分散と平均とを用いて、(変動率)=(分散)×100/(平均)にて算出した。
【0050】
また、本発明の製造方法により製造される強化繊維基材は、カバーファクターが80%を超え95%未満に制御されたものであるのが好ましい。より好ましくは85〜94%、更に好ましくは90〜93%である。80%以下であると複合材料にした場合に力学特性の低下、サーマルクラックの発生等が起こることを意味し、95%以上であるとマトリックス樹脂の含浸性に劣るため好ましくない。ここで、カバーファクターとは、平面状にした強化繊維基材をその垂線方向から見て、200mm×200mmの単位面積における基材中の強化繊維糸条(補助繊維糸条、たて補助繊維糸条、ステッチ糸等を除く)が存在する(カバーできていない)閉口部分の百分率を指し、カバーファクター(%)=閉口部分の合計面積(mm)/400により算出される。本発明では、強化繊維基材の全幅方向に渡って等間隔に4箇所測定した平均値で代表させた。かかる閉口部分は、CCDカメラやスキャナー等により光学的に取り込まれた画像を元に算出することができる。
【0051】
本発明で使用する強化繊維糸条としては、例えば炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、有機繊維(アラミド、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリビニルアルコール、高強度ポリエチレン、ポリイミド等)、これらを2種類以上併用したものを使用することができる。中でも炭素繊維は比強度・比弾性率に優れるので、航空機用途の強化繊維として好ましく用いられる。
【0052】
かかる炭素繊維糸条は、無撚でも有撚でも使用することができるが、力学特性(引張、圧縮等)の面からは実質的に無撚のものが好ましい。また、その繊度は300〜5,000texであるものが好ましい。より好ましくは600〜2,000texである。かかる範囲より小さいと、織物にする場合、交錯点が多すぎてクリンプだけでなくその数も大きくなり、力学特性に劣る場合がある。かかる範囲より大きいと、交錯点が少なすぎて強化繊維基材の形態安定性に劣る場合がある。
【0053】
本発明で使用するたて補助繊維糸条または補助繊維糸条としては、前述の通り強化繊維糸条の断面積(単繊維の断面積の本数で乗じたもの)の好ましくは1/10以下、より好ましくは1/100以下であれば、強化繊維糸条と同じ素材のものを使用することができる。強化繊維としての補強効果が強く要求されないため、それらの他にも、ポリアミド(未延伸糸、延伸糸、POY(高速紡糸による半延伸糸)等)、ポリエステル、フェノール、これらを芯鞘糸にしたもの等の有機繊維を単独または組み合わせて使用することもできる。
【0054】
本発明で使用する樹脂材料は、強化繊維基材の形態安定性を向上させ、複合材料の力学特性を損なわない、または向上させるものであればとくに限定されず、熱硬化性樹脂および/または熱可塑性樹脂を使用することができる。
【0055】
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ、フェノール、ポリベンゾイミダゾール、シアネートエステル、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ユリア、メラミン、ビスマレイミド等や、これらの共重合体、変性体および2種類以上ブレンドした樹脂等を使用することができる。更に、エラストマーやゴム成分、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を添加したものも使用することもできる。
【0056】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、フェノール(ノボラック型)、フェノキシ樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂等や、これらの共重合体、変性体および2種類以上ブレンドした樹脂も使用することができる。
【0057】
本発明の課題を最大限に発現する樹脂材料の好ましい例としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混合、好ましくは相溶化して、そのガラス転移点を30〜100℃、より好ましくは50〜90℃にしたものが挙げられる。かかる樹脂材料は、強化繊維基材への接着が容易なだけではなく、後述のマトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合に著しく優れた力学特性の向上効果を発現する。
【0058】
本発明の複合材料の製造方法は、さらに好ましい態様として、次の(E)〜(G)の工程を経ることができる。
【0059】
(E)セット工程
前記方法で製造した強化繊維基材を成形型に配置してキャビティを形成する。本工程で、成形型として雄型と雌型とを用いると、寸法精度に優れ、従来のオートクレーブ成形に比べて安価な複合材料を成形することができる。
【0060】
一方、成形型として、雄型または雌型のいずれかとバッグ材とを用いると、成形型の費用を安くすることができ、より一層安価にすることができ、好ましい。かかるバッグ材としては、例えばフィルム、柔軟性を有するラバー材等が挙げられる。バッグ材は通常柔軟なものであるため、バッグ材側の面に剛性を付与するためのプレート等を併用することができる。かかるプレートの併用により、両面に成形型を用いた場合と同じレベルの寸法精度を達成することが可能となる。
【0061】
なお、後者の場合、マトリックス樹脂に圧力を付加して注入できないため、キャビティ内にマトリックス樹脂の含浸を促進する樹脂拡散媒体を配置するのが好ましい。かかる樹脂拡散媒体とは、空間保持能が高く(表面に凹凸を有し)、マトリックス樹脂の流動抵抗が強化繊維基材の1/10以下の低い抵抗をなすものを指し、例えばメッシュ、マット、不織布等が例として挙げられる。
【0062】
(F)注入工程
マトリックス樹脂を、キャビティ内に注入して強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる。本工程において、真空ポンプ等で脱気して、キャビティ内を減圧状態に保ちながらマトリックス樹脂を注入すると、強化繊維基材へのマトリックス樹脂の含浸が容易となり、より品質の高い複合材料を短サイクルで成形することができ、成形コストをより低くすることができるため好ましい。
【0063】
(G)固化工程
マトリックス樹脂を固化(硬化または重合)させて複合材料を得る。ここで、マトリックス樹脂を固化させる際、固化効率を上げるため加熱するのがよい。必要に応じて、更にマトリックス樹脂の固化を確実なものにするために、複合材料を再度加熱して更に固化する二次固化工程を経てもよい。
【0064】
本発明で使用するマトリックス樹脂は、その成形性、力学特性の面から熱硬化性樹脂であるのが好ましく、樹脂材料で挙げた例のものが好ましく使用される。樹脂材料と異なる点は、注入成形に供する場合は、注入温度では液状である必要があることである。かかる特性を有する熱硬化性樹脂として、エポキシ、日済まれイミド、フェノール、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、シアネートエステルであるのが好ましい。これらの樹脂に、更にエラストマーやゴム成分、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を添加したものも使用することができる。中でも、航空機の一次構造部材等で要求される非常に高い力学特性を達成するためには、エポキシ、ビスマレイミドまたはシアネートエステルが好ましく、とりわけエポキシが好ましい。
【0065】
マトリックス樹脂と樹脂材料とは、その役割がそれぞれ異なることを考慮して異なるものを選択するのが好ましい。すなわち、マトリックス樹脂は含浸性に優れる(注入温度で樹脂粘度が低く、ゲル化時間が長い)ものを、樹脂材料は強化繊維基材の形態安定性を向上するものをそれぞれ選択して使用するのが好ましい。もちろん、マトリックス樹脂、樹脂材料において、その一部に同一成分を使用することに何ら制限はなく、両者の相性の面からは好ましい形態といえる。
【0066】
【実施例】
(実施例1)
図3は、本発明の製造方法の好ましい実施態様を説明する模式図で、織機31を用いて、強化繊維基材を製造している様子を示している。次に詳細に各工程を説明する。
【0067】
(A)引出工程:183本のたて糸32および183本の補助たて糸(図示せず)を平行かつ交互に配列し、1m幅になるように各ボビンから直接引き出した。強化繊維糸条のボビン上の糸条幅(元糸幅Wo)は6.6mmであった。
【0068】
なお、たて糸32として、強化繊維糸条であるPAN系炭素繊維糸条(24,000フィラメント、繊度1,035tex、引張強度5,900MPa、引張弾性率294GPa)を用いた。また、補助たて糸として、たて補助繊維糸条であるガラス繊維糸条(ECE225 1/0 1.0Z、繊度22.5tex、バインダータイプDP、日東紡製)を用いた。
【0069】
(B)狭幅工程:たて糸32はガイドである綜絖34a(メール34bの内寸が2.5mm)を通過させることにより糸条幅を規制幅の2.5mm(元糸幅Woの38%)に狭めた。次いで、筬35(糸条が通過する箇所(筬刃隙間)の内寸は3mm)を通過させることにより3mm(元糸幅Woの45%)にした。
【0070】
ここで、レピア36を用いて3本/cmの織密度でよこ糸33を打ち込み、補助たて糸と交錯させ、たて糸32を一体に保持したノンクリンプ構造を有する一方向性織物を形成した。なお、よこ糸33として、補助繊維糸条であるポリアミド繊維糸条(ポリアミド66、7フィラメント、繊度1.7tex)を用いた。
【0071】
(C)拡幅工程:織前で開口を規制するバー37(最大接触角度20°)、ニップロール38(接触角度90°以上)および駆動ロール39にて糸条幅を目標幅Wtの5.1mm(規制幅Wnの204%、元糸幅Woの77%)に拡幅して巻き取った。
【0072】
得られた強化繊維基材における強化繊維糸条の目付は188g/m2、強化繊維糸条の隙間は0.4mm(たて補助繊維糸条は存在しないものとして測定)、糸条幅の変動率は8%、カバーファクターは91%であった。
【0073】
(実施例2)
実施例1で得られた一方向性織物である強化繊維基材に、次の(D)固定工程1で樹脂材料を塗布、接着して、強化繊維糸条の幅を固定した。
【0074】
(D)固定工程1:粒子状である樹脂材料を、エンボスロールとドクターブレードにて計量しながら自然落下させ、振動ネットを介して均一分散させながら、片表面に26g/m(樹脂材料付着後の強化繊維基材100重量%に12重量%)塗布した。その後、185℃にて遠赤外線ヒーターを通過させ、樹脂材料を強化繊維基材の片表面にのみ接着した。
【0075】
得られた強化繊維基材は、樹脂材料によって形態安定性が格段に向上し、実施例1のものより取扱が非常に優れ、強化繊維糸条は真直性に優れた。また、その糸条幅は、長手方向および幅方向に安定しており、品質安定性に優れたものであった。強化繊維糸条の目付は190g/m、強化繊維糸条の隙間は0.4mm、糸条幅の変動率は6%、カバーファクター93%であった。
【0076】
なお、粒子状の樹脂材料として、ポリエーテルスルホン樹脂60重量%とエポキシ樹脂組成物40重量%とを相溶させたものを冷凍粉砕したものを用いた。かかる粒子状の樹脂材料は、平均粒子径D50(レーザー回折・散乱法)115μm、ガラス転移点68℃であった。
【0077】
(実施例3)
実施例2で得られた強化繊維基材に、次の(D)固定工程2で更に異なる樹脂材料を塗布、接着して、強化繊維糸条の幅をより強固に固定した。
【0078】
(D)固定工程2:溶媒中に分散させた樹脂材料をスプレーにて塗布し、180℃のオーブンにて溶媒を乾燥し、樹脂材料(固形分)として1.7g/m(樹脂材料付着後の強化繊維基材100重量%に0.8重量%)塗布した。
【0079】
得られた強化繊維基材は、実施例2と同様に形態安定性に優れた。その糸条幅は、実施例2よりも長手方向および幅方向に安定しており、更に品質安定性に優れたものであった。強化繊維糸条の目付は192g/m、強化繊維糸条の隙間は0.6mm、糸条幅の変動率は4%、カバーファクターは89%であった。
【0080】
なお、溶媒中に分散させた樹脂材料として、溶媒(水)98重量%に樹脂組成物(ジャパンエポキシレジン(株)製”エピコート”828を50重量部、不飽和ポリエステルを50重量部)1.7重量%を、乳化剤0.3重量%にて溶媒(水)中に分散させたものを用いた。
【0081】
(実施例4)
(A)引出工程:実施例1と同様にたて糸を引き出した。
【0082】
(B)狭幅工程:たて糸は櫛形ガイドであるコーム(糸条が通過する箇所の内寸は3mm)を通過させることにより糸条幅を規制幅Wnの3mm(元糸幅Woの45%)に狭めた。
【0083】
(C)拡幅工程および(D)固定工程3:不織布状の樹脂材料を、引き揃えた強化繊維糸条の両面に貼り合わせたものを離型紙に挟み、180℃、線圧0.2MPaでプレスロールを通過させ、糸条幅を目標幅Wtの5.2mm(規制幅Wnの173%、元糸幅Woの78%)に拡幅すると同時に、樹脂材料を表面に接着して強化繊維糸条の幅を固定した。
【0084】
なお、不織布状の樹脂材料として、実施例2で用いた熱可塑性樹脂をメルトブローにて不織布化したもの(13g/m)を用いた。
【0085】
得られた強化繊維基材は、樹脂材料によって形態安定性が格段に向上し、取扱が容易であった。また、強化繊維糸条は真直性に優れた。また、その糸条幅は、長手方向および幅方向に安定しており、品質安定性に優れたものであった。強化繊維糸条の目付は190g/m、強化繊維糸条の隙間は0.3mm、糸条幅の変動率は5%、カバーファクター94%であった。
【0086】
(実施例5)
実施例1〜4にて製造された強化繊維基材を用いて、次の方法にて複合材料に成形した。
【0087】
アルミ製成形型の表面に、強化繊維基材を以下の構成構成1および2にて積層した。その最表面にピールプライ(ポリエステル繊維の離型処理された織物)、樹脂拡散媒体(ポリプロピレン製メッシュ状シート)を順に配置し、更にその上に、アルミ製カウルプレートを配置した。積層された強化繊維基材が成形型と接した周囲には、エッジ・ブリーザー(ポリエステル繊維の不織布)を複数枚積層して張り巡らした。真空吸引口やエッジ・ブリーザーから最も近い樹脂拡散媒体までの距離が10mm以上離れるように、樹脂拡散媒体の平面視における最大外形が樹脂拡散媒体面の強化繊維基材の平面視における最大外形よりも10〜50mm程度小さくなるように配置した。全体をバッグ材(ナイロンフィルム)で覆い、バッグ材と成形型の周囲を、シール材で密閉してキャビティを形成した。樹脂注入口は、樹脂拡散媒体に接するように取り付け、シール材で密閉した。真空吸引口は、樹脂注入口から最も遠いエッジ・ブリーザー上に取り付け、同様にシールした。真空吸引口から吸引し、キャビティ内を真空吸引した。装置全体をマトリックス樹脂の注入温度(80℃)に昇温した。真空吸引を継続しながら、強化繊維基材が注入温度に達してから1時間保持した。その後、樹脂注入口のバルブを解放して、予め混合、脱泡を済ませて注入可能な状態で準備されていたマトリックス樹脂を樹脂拡散媒体から必要な量だけ注入した。含浸が完了したら、樹脂注入口のバルブを閉めて注入を中止した。真空吸引は、マトリックス樹脂がゲル化(注入開始から1.5時間)するまで継続した。その後、マトリックス樹脂の硬化温度(130℃)まで昇温し、2時間保持してマトリックス樹脂を硬化させた。なお、硬化温度に達した時点で、真空吸引口を閉めて吸引を中止し、バッグ材の中を真空状態に保つ様にした。その後、常温まで降温し、バッグ材、ピールプライおよび樹脂含浸媒体を除去して複合材料を得た。
【0088】
積層構成1:[0°]、計6層、150m×150mm。
【0089】
積層構成2:[−45°/0°/+45°/90°]3S、計24層、370mm×370mm。
【0090】
得られた複合材料を検査したところ、どこにもピンホールやボイドが見当たらず、極めて良好な成形が行われていたことが実証された。
【0091】
次に、積層構成1の複合材料からSACMA−SRM−1R−94に沿った試験片について圧縮強度を測定した。また、積層構成2の複合材料からSACMA−SRM−2R−94に沿った試験片について衝撃付与後の圧縮強度(CAI)を測定した。結果を表1に示す。なお、マトリックス樹脂として、エポキシ樹脂組成物(硬化剤としてポリアミン使用、80℃におけるE型粘度計による粘度55mPa・s)を用いた。
【0092】
(比較例1)
(A)引出工程:274本のたて糸を平行に配列し、1m幅になるように各ボビンから直接に引き出した。強化繊維糸条のボビン上の糸条幅である元糸幅Woは6.6mmであった。たて糸として、実施例1と同じものを用いた。
【0093】
(B)狭幅工程:たて糸はガイドである綜絖(メールの内寸が5mm)を通過させて5mmに狭めた。次いで、筬(糸条が通過する箇所(筬刃隙間)の内寸は3.5mm)を通過させることにより、糸条幅を規制幅の3.5mm(元糸幅Woの53%)に狭めた。
【0094】
よこ糸として実施例1と同じガラス繊維糸条を用い、補助たて糸を用いず、たて糸とよこ糸とを交錯させる以外は実施例1と同様にして、平織組織の一方向性織物を形成した。
【0095】
(C)拡幅工程:織前で開口を規制するバーを用いず、ニップロール(接触角度90°以上)および駆動ロールを通過させて、糸条幅を目標幅Wtの3.6mm(規制幅Wnの103%、元糸幅Woの55%)にて巻き取った。
【0096】
得られた強化繊維基材の強化繊維糸条は、特によこ糸との交錯点においてくびれが発生しており、その糸条は瓢箪状で真直性に劣った。また、強化繊維糸条の隙間は均一に存在せずに部分的に0.1〜0.2mm程度存在しており、品質安定性に劣ったものであった。強化繊維糸条の目付は285g/m、糸条幅の変動率は12%、カバーファクターは98%であった。
【0097】
(比較例2)
比較例1にて製造された強化繊維基材を用い、積層構成2にかえて次の積層構成3にする以外は実施例5と同様にして複合材料を成形した。かかる複合材料の圧縮強度およびCAIを表1に示す。
【0098】
積層構成3:[−45°/0°/+45°/90°]2S、計16層、370mm×370mm。
【0099】
【表1】

Figure 2004256961
【0100】
複合材料の力学特性に関し、本実施例のものは非常に高い値を示し、中でも実施例2のものが特にバランスに優れた。一方、比較例1のものは、実施例2〜4よりも大幅にCAIが低く、樹脂材料の寄与は明らかである。
【0101】
強化繊維基材のマトリックス樹脂の含浸性、品質安定性および形態安定性については、実施例2、3のものが特に優れた。なお、実施例1のものは、樹脂材料を用いていないので、実施例2、3の同等以下の含浸性、形態安定性であった。すなわち、本発明の最も好ましい態様の一つとしては、実施例2または3のものということができる。
【0102】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、糸条幅を目標幅Wtに正確かつ安定して制御することができるため、強化繊維糸条の隙間やカバーファクターを所望の範囲内に均一に制御でき、すなわち品質安定性に優れ、強化繊維糸条の蛇行、屈曲が抑制し、その真直性に優れる強化繊維基材を得ることができる。このことにより、マトリックス樹脂の含浸性が良好で、力学特性(特に圧縮強度、CAI)に優れる複合材料を生産性良く得られるだけでなく、その品質安定性にも優れた強化繊維基材および複合材料を提供できる。
【0103】
このような複合材料は、航空機、自動車、船舶等の輸送機器における一次構造部材、二次構造部材、外装部品、内装部品もしくはそれらの部品等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造工程の流れを説明する概略工程図である。
【図2】本発明の製造方法にて製造された強化繊維基材の一実施態様の平面図である。
【図3】本発明の製造方法の好ましい実施態様を説明する模式図である。
【符号の説明】
1:引出工程
2:狭幅工程
3:拡幅工程
4:固定工程
21:強化繊維基材
22、32:たて糸(強化繊維糸条)
23、33:よこ糸(補助繊維糸条)
24:樹脂材料
25:補助たて糸(たて補助繊維糸条)
31:織機
34a:綜絖
34b:メール
35:筬
36:レピア
37;織前で開口を規制するバー
38:ニップロール
39:駆動ロール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a method for producing a reinforced fiber base material which not only can obtain a composite material having good resin impregnation and excellent mechanical properties (particularly compressive strength) with good productivity, but also excellent in quality stability and its reinforcement. The present invention relates to a method for producing a composite material using a fiber base material.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART A composite material using a reinforcing fiber (hereinafter, referred to as FRP) has been mainly used for aerospace, sports, and sports because it satisfies required characteristics such as excellent mechanical properties and weight reduction. As a molding method excellent in productivity of these FRPs, for example, a resin transfer molding (RTM) molding method can be mentioned. In such an RTM molding method, a matrix resin impregnated with a matrix resin is impregnated by placing a dry reinforcing fiber base material not impregnated with a matrix resin in a mold and forcibly injecting a liquid matrix resin. Then, FRP is formed.
[0003]
However, this RTM molding method is generally excellent in the productivity of FRP. However, if the impregnating property of the reinforcing fiber substrate (eg, dry reinforcing fiber woven fabric) used is poor, not only does the impregnation time become longer, but also the FRP becomes longer. In addition, there has been a problem that voids and the like are generated, the yield is reduced, and the productivity is reduced. To address the above problem, for example, Patent Literature 1 discloses that the impregnating property in the thickness direction is improved by a difference in the opening ratio of the carbon fiber woven fabric. Patent Literature 2 describes that the impregnating property is improved by a gap between carbon fiber yarns in a unidirectional carbon fiber fabric.
[0004]
However, it is difficult to uniformly control such a reinforcing fiber substrate in a state where the aperture ratio and the gap are increased in the production thereof, and the quality is unstable. Here, the non-uniformity of the aperture ratio and the gap means that the space next to the reinforcing fiber yarn is wide or narrow. In other words, when handling the reinforcing fiber base material or injecting the matrix resin, the reinforcing fibers induce meandering and bending relatively particularly between the wide and narrow areas, and locally impair the straightness thereof. Was causing problems. As a result, the properties of the reinforcing fibers cannot be sufficiently exhibited, and the mechanical properties (particularly, compressive strength) of the FRP are impaired.
[0005]
In other words, according to the conventional proposal, a composite material having particularly excellent compressive strength can be obtained with good productivity, and a method for producing a reinforcing fiber base material having excellent quality stability has not been established. I was
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-37904 A (page 4, paragraph 0014)
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-11-107107 (page 8, paragraph 0068)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a method for producing a reinforced fiber base material which not only obtains a composite material having good impregnation of a matrix resin and excellent mechanical properties (especially compressive strength) with good productivity but also excellent quality stability. Provided is a method for producing a composite material in which a fiber base material is impregnated with a matrix resin.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve such a problem. That is, the method for producing a reinforcing fiber substrate of the present invention is a method for producing a reinforcing fiber substrate composed of reinforcing fiber yarns arranged in at least one direction in parallel, and comprises the following (A) to (C) Characterized by passing through the steps of
[0010]
(A) A drawing step of drawing a reinforcing fiber yarn having a raw yarn width Wo.
[0011]
(B) a narrowing step of narrowing the yarn width to a regulation width Wn of more than 20% and less than 85% of the original yarn width Wo.
[0012]
(C) a widening step of widening the yarn width to a target width Wt exceeding 110% of the regulation width Wn and less than the original yarn width Wo.
[0013]
In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing a composite material of the present invention is a method for producing a composite material using at least the reinforcing fiber substrate produced by the method, and comprises the following (E) to (G) Characterized by passing through the steps of
[0014]
(E) a setting step of arranging a reinforcing fiber base in a mold to form a cavity;
[0015]
(F) an injection step of injecting the matrix resin into the cavity to impregnate the reinforcing fiber base material with the matrix resin.
[0016]
(G) a solidification step of solidifying the matrix resin to form a composite material.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, the method for producing a reinforcing fiber substrate of the present invention includes at least the following steps (A) to (C). In order to further exhibit the effects of the present invention, the following step (D) can be included at the same time as or after the widening step (C).
[0018]
(A) A drawing step of drawing a reinforcing fiber yarn having a raw yarn width Wo.
[0019]
(B) A narrowing step of narrowing the yarn width to a regulation width Wn that is more than 20% and less than 85% of the original yarn width Wo.
[0020]
(C) A widening step for expanding the yarn width to a target width Wt which is more than 110% of the regulation width Wn and less than the original yarn width Wo.
[0021]
(D) A fixing step of adhering 0.1 to 20% by weight of a resin material to 100% by weight of the reinforcing fiber base to fix the width of the reinforcing fiber yarn.
[0022]
In the present invention, the “reinforcing fiber base material” means a fabric or the like composed of reinforcing fiber yarns arranged in at least one direction, which will be described in detail later.
[0023]
The “elementary yarn width Wo” is the yarn width before drawing out on a bobbin or a beam around which the reinforcing fiber yarn is wound in the drawing step (A) described later, and is the entire width of the reinforcing fiber base material. It means the average value of 50 lines selected at equal intervals over the direction.
[0024]
In addition, the term "yarn width" refers to the width of the reinforcing fiber yarn that is the widest in the vertical direction in the longitudinal direction at that point because the reinforcing fiber yarn may pass through a three-dimensional yarn path. Means the average value of 50 pieces selected at equal intervals over the entire width direction of the reinforcing fiber base material.
[0025]
In general, it is rare to apply a reinforcing fiber yarn dedicated to a use, and it is common to use a commercially available reinforcing fiber yarn for each use. The present invention relates to a method of manufacturing a reinforcing fiber base material having a target width Wt narrower than the original yarn width Wo, by setting the yarn width of the reinforcing fiber yarn having the original yarn width Wo to more than 20% of the original yarn width Wo to 85%. It has been found that the problem of the present invention can be solved by temporarily narrowing the regulation width Wn to a target width Wt that is more than 110% of the regulation width Wn and less than the original yarn width Wo. That is, if the yarn width is controlled so as to directly narrow the target width Wt without narrowing the original width Wo to the regulation width Wn, not only the target width Wt cannot be accurately controlled, but also the stability thereof is inferior. Cannot solve the problem. By setting the target width Wt through the narrowing step (B) and the widening step (C), the target width Wt can be accurately and stably controlled. This makes it possible to uniformly control the gap and the cover factor of the reinforcing fiber yarns described below within a desired range, that is, to have excellent quality stability, meandering and bending of the reinforcing fiber yarns, and excellent straightness thereof. A reinforcing fiber base can be obtained. The composite material using the reinforcing fiber base material thus obtained has an effect of being excellent in mechanical properties, especially in compressive strength.
[0026]
FIG. 1 is a schematic process diagram illustrating the flow of the manufacturing process of the present invention. Each step will be described in detail below.
[0027]
(A) Withdrawal process (1 in FIG. 1)
The reinforcing fiber yarn having the original yarn width Wo is drawn out, for example, directly from a bobbin hanging on a creel stand or from a partially warped beam or the like. Since the width of the reinforcing fiber base is usually 0.2 m to 2.54 m, it is common to use a large number of reinforcing fiber yarns.
[0028]
(B) Narrow width process (2 in FIG. 1)
The yarn width is reduced to a regulation width Wn of more than 20% and less than 85% of the original yarn width Wo. More preferred Wn is more than 30% and less than 65% of Wo, even more preferably more than 35% and less than 50% of Wo. If Wn is 25% or less of Wo, not only the width cannot be increased to the target width Wt in the widening step (C) described later, but also a large amount of fluff is generated from the reinforcing fiber yarns, which makes production difficult. . On the other hand, if it is 85% or more of Wo, the meaning of narrowing the yarn width to Wn becomes sparse, and the effect of the present invention is not exhibited.
[0029]
Means for regulating the yarn width to Wn include passage of a regulation guide, surface tension when applying and drying a liquid, a combination thereof, and the like. A guide having a dimension smaller than the yarn width is preferable. And a method of passing a reinforcing fiber yarn. At least one such guide may be passed, but it is better to pass a plurality of guides in order to achieve a more precise regulation width. In this case, the width reduced to the minimum is defined as the regulation width Wn of the present invention.
[0030]
Examples of such a guide include a comb type and a groove type. In a loom, a heald or a reed can be used as a guide. More preferably, it is better to pass through a heald and a reed having an inner size smaller than the original yarn width Wo. In this case, it is particularly preferable that the inner size of the mail actually passing through the reinforcing fiber yarn in the heald is smaller than the inner size of the reed. That is, when the heald is set to the regulation width Wn and the reed is set to a thread width larger than Wn, the stability in the widening step (C) described later is increased, and the effect of the present invention can be maximized.
[0031]
(C) Widening step (3 in FIG. 1)
The yarn width is increased to a target width Wt exceeding 110% of the regulation width Wn and less than the original yarn width Wo. More preferred Wt is more than 130% of Wn and less than 95% of Wo, even more preferably more than 150% of Wn and less than 90% of the original yarn width Wo. If Wt is 110% or less of Wn, the meaning of widening in this step is diminished, and the effect of the present invention is not exhibited. On the other hand, if it is equal to or more than Wo, the meaning of going through the narrowing step (B) described above becomes sparse, and the effect of the present invention is not exhibited.
[0032]
Means for widening the yarn width to Wt include spraying compressed gas or fluid, passing through a bar (vibration bar, tension fluctuation bar, rubbing bar, etc.), applying vibration (ultrasonic waves, etc.) in liquid, applying pressure, The preferred method is a method in which the reinforcing fiber yarn is passed through a bar having a contact angle of 10 ° or more (hereinafter abbreviated as a widening bar). The bar is a generic name of a bar that comes into contact with a reinforcing fiber yarn such as a roll, a rod, and a plate and has a widening effect. Examples of the widening bar include a fixed type, a free type, and a driving type. In a loom, in particular, a bar or a nip roll that regulates an opening before weaving can be used as the widening bar. More preferably, it passes through a fixed bar and a nip roll that regulate the opening.
[0033]
According to the manufacturing method of the present invention through the above steps (A) to (C), the target width Wt can be accurately and stably controlled. This also makes it possible to uniformly control the gap and the cover factor of the reinforcing fiber yarns described later within a desired range. The composite material using the thus obtained reinforcing fiber base material has an excellent effect of being excellent in mechanical properties, especially in compressive strength.
[0034]
(D) Fixing step (4 in FIG. 1)
The manufacturing method of the present invention can obtain more excellent effects if the fixing step described here is further performed. That is, in the fixing step, the width of the reinforcing fiber yarn is fixed by bonding the resin material. Such a resin material is preferably 0.1 to 20% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. If the amount is less than 0.1% by weight, the morphological stability of the substrate when handling the reinforcing fiber substrate is poor. If it exceeds 20% by weight, impregnation of the matrix resin may be hindered when obtaining a composite material.
[0035]
Such a resin material may be adhered to the surface (either one side or both sides) of the reinforcing fiber base, or may be coated and bonded over the entire surface of the reinforcing fiber base.
[0036]
When a resin material is adhered to the surface of the reinforcing fiber base, preferred methods include, for example, the following methods (d1) and (d2).
[0037]
(D1) After applying or attaching a solid resin material, the resin material is melted and adhered to the reinforcing fiber yarn. In this case, a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, a fiber, a particle, or the like can be used as the resin material. It is preferable to use a nonwoven fabric as the resin material because the amount of the resin material can be easily controlled. On the other hand, the use of particles is preferable because it enables microscopically uniform dispersion. As a device for applying particles, any device can be used as long as it can uniformly apply, such as a charged spray, a fluidized bed, a contact roll (such as a kiss roll and a dot roll), and a non-contact roll (such as a scraping roll). FIG. 2 is a plan view of one embodiment of the reinforcing fiber base material manufactured by the manufacturing method of the present invention, in which the particulate resin material is adhered to the non-crimped unidirectional fabric by the method (d1). The resin material 24 is discretely dispersed in a dotted manner on the reinforcing fiber base 21.
[0038]
(D2) A molten resin material is applied and adhered to the reinforcing fiber yarn. In this case, for example, when the melt blow method is used, the nonwoven fabric can be formed and adhered directly and simultaneously to the surface of the reinforcing fiber base, and the process can be performed efficiently.
[0039]
In the case of the methods (d1) and (d2), the resin material is preferably 2 to 20% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. When the resin material is adhered to the surface of the reinforcing fiber base material by such a method, not only does the width of the reinforcing fiber yarns be fixed and the morphological stability of the base material is developed, but also the resin material is cracked between the base material layers of the composite material. By acting as a stopper, it is possible to suppress damage between layers when receiving an impact, and to exhibit an effect of being excellent in impact resistance characteristics (especially, compression after impact, CAI). Furthermore, the resin material itself serves as a spacer to form a flow path when impregnating the matrix resin, and not only facilitates impregnation, particularly when subjected to injection molding, but also increases the impregnation speed, thereby increasing the degree of impregnation. It also has unexpected effects such as excellent material productivity.
[0040]
On the other hand, in the case of covering and bonding over the entire surface of the reinforcing fiber base material, a preferable method includes, for example, the following method (d3).
[0041]
(D3) After applying a resin material dissolved or dispersed in a solvent, the resin material is removed and adhered to the reinforcing fiber yarn. In this case, it is preferable to use a liquid in which the resin material is dissolved or dispersed at a high concentration because the solvent can be easily removed at low cost. For increasing the concentration, an emulsifier or the like can be used within a range that does not adversely affect the mechanical properties. Further, as the coating device, any device can be used as long as it can uniformly apply, such as a printing device such as an ink jet or a screen, a spray, a contact roll (such as a kiss roll, a touch roll), and among them, a contact roll is most preferable. . Here, the solvent is a generic name of liquids that can dissolve or disperse resin materials such as inorganic solvents, organic solvents, and water.
[0042]
In this case, the resin material is preferably 0.5 to 5% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. When the resin material is coated and adhered over the entire surface of the reinforcing fiber base material by this method, the width of the reinforcing fiber yarn can be fixed with a smaller amount of the resin material, and the shape stability of the base material can be exhibited. In addition, since the surface tension is applied to the reinforcing fiber yarns at the time of desolvation, an unexpected effect that the gaps and the like of the reinforcing fiber base can be easily and largely controlled is also exhibited.
[0043]
The reinforcing fiber substrate of the present invention is, for example, a two-dimensional unidirectional fabric, a bidirectional fabric, or a fabric having more than one orientation, a three-dimensional multidirectional fabric, a knitted fabric, a multiaxial insertion substrate, and a unidirectional fabric. Examples include aligned reinforcing fiber sheets (unidirectional sheets), multiaxial sheets in which unidirectional sheets are laminated in two or more directions and integrated, and these are joined by stitch yarns, knotting yarns, resin components, and the like. A plurality may be integrated.
[0044]
Particularly when used as a structural member of transportation equipment (especially a primary structural member of an aircraft), very high mechanical properties (compressive strength, CAI, etc.) are required. Due to the weaving structure and the increase in the crimp of the reinforcing fiber yarn at the intersection of the warp and the weft, it may be difficult to develop mechanical properties that can withstand the demand. That is, from the viewpoint that such a problem can be surely solved, the reinforcing fiber base material of the present invention is preferably a unidirectional woven fabric, a unidirectional sheet, or a material in which a plurality of them are integrated. Furthermore, in consideration of the impregnation surface of the matrix resin, the unidirectional woven fabric in which the reinforcing fiber yarns as the warp yarns have regular gaps and have extremely small crimps formed by the entanglement of the warp yarns and the weft yarns is particularly preferable. preferable. Such gaps and extremely small crimps serve as a flow path for impregnation of the matrix resin, and have an effect of remarkably improving impregnation.
[0045]
The unidirectional fabric will be described in more detail. A unidirectional woven fabric is a plain woven structure, a twill woven structure, a satin woven structure, or the like, in which a warp (reinforcing fiber yarn) and a weft yarn (auxiliary fiber yarn) arranged in parallel in one direction intersect with each other. It is what constituted. Auxiliary fiber yarns, which are weft yarns, are used to reduce the bending (crimp) of the warp yarns at the intersections between the warp yarns and the weft yarns and to cut the reinforcing fiber yarns used for the warp yarns in order to maximize the effects of the present invention. Those having an area of 1/10 or less, more preferably 1/100 or less, are preferable. Such a cross-sectional area is the sum of the cross-sectional areas of the single fibers constituting the yarn. The weft density of the weft yarn is preferably 0.3 to 6 yarns / cm from the viewpoint of balance between shape stability and minimization of influence on mechanical properties. More preferably, it is 1 to 4 wires / cm.
[0046]
The unidirectional woven fabric preferably used in the present invention also includes a non-crimp structure described below in addition to the woven structure. A non-crimped unidirectional woven fabric is a warp (reinforcement fiber yarn) in which an auxiliary warp (auxiliary fiber yarn) arranged in parallel with a warp and a weft (auxiliary fiber yarn) orthogonal thereto intersect each other. ) Are held together. According to such a non-crimp structure, the crimp can be made smaller than that of a plain weave structure, so that the effects of the present invention can be further enhanced. In addition, from the aspect of resin impregnation, the presence of the auxiliary warp ensures the impregnation flow path more reliably, and expresses extremely excellent impregnation. The unidirectional fabric itself is described in detail in, for example, JP-A-7-243149.
[0047]
In the reinforcing fiber base material, the basis weight of the reinforcing fiber yarn for maximizing the effect of the present invention is 50 to 350 g / m. 2 , Preferably 150 to 270 g / m 2 It is.
[0048]
According to the present invention, a target in which the target width Wt is accurately regulated is obtained. As a result, the gap between the reinforcing fiber yarns, the fluctuation rate of the yarn width of the reinforcing fiber yarn, the cover factor, and the like are accurately and stably controlled to manufacture. can do. From such a viewpoint, it is preferable that the reinforcing fiber base material manufactured by the manufacturing method of the present invention is one in which the gap between the reinforcing fiber yarns is controlled to 0.1 to 1 mm. It is more preferably from 0.2 to 0.7 mm, and still more preferably from 0.3 to 0.6 mm. If it is less than 0.1 mm, the impregnating property of the matrix resin is inferior. If it exceeds 1 mm, the gap becomes too large. It is not preferable because cracks occur. Such a gap between the reinforcing fiber yarns refers to a gap between the reinforcing fiber yarns in the base material when the planar reinforcing fiber base material is viewed from a perpendicular direction thereof. The auxiliary fiber yarns, stitch yarns, etc. were treated as if they did not exist, and the average value of 50 fibers selected at equal intervals over the entire width direction of the reinforcing fiber base material was used.
[0049]
Further, the reinforcing fiber base material manufactured by the manufacturing method of the present invention is preferably one in which the fluctuation rate of the yarn width of the reinforcing fiber yarn is controlled to 0 to 10%. It is more preferably 0 to 9%, and still more preferably 0 to 8%. If it exceeds 10%, when a composite material is used, there is a problem of void formation due to a difference in the impregnation rate of the matrix resin between a thin portion and a thick portion of the reinforcing fiber yarn, and a relative increase in the reinforcing fiber yarn. Induces meandering and flexing, locally inhibiting straightness. The yarn width refers to the width of the planar reinforcing fiber substrate as viewed from the perpendicular direction, and an average value of 50 yarns selected at equal intervals over the entire width direction of the reinforcing fiber substrate was used. The fluctuation rate is obtained by measuring the yarn width at 20 locations at 25 mm intervals in the longitudinal direction of the reinforcing fiber yarn, and using the variance and the average thereof, (variation rate) = (dispersion) × 100 / (average) Was calculated.
[0050]
The reinforcing fiber substrate produced by the production method of the present invention preferably has a cover factor controlled to be more than 80% and less than 95%. More preferably, it is 85 to 94%, and still more preferably 90 to 93%. If it is less than 80%, it means that the composite material will be deteriorated in mechanical properties and thermal cracks will occur, and if it is more than 95%, the impregnating property of the matrix resin will be poor. Here, the cover factor refers to the reinforcing fiber yarns (auxiliary fiber yarns, warp auxiliary fiber yarns) in the base material in a unit area of 200 mm × 200 mm when the planar reinforcing fiber base material is viewed from the perpendicular direction. Refers to the percentage of the closed part where the strips, stitch yarns, etc. are present (not covered), and the cover factor (%) = the total area of the closed part (mm) 2 ) / 400. In the present invention, the average value measured at four points at equal intervals over the entire width direction of the reinforcing fiber base is represented. Such a closed portion can be calculated based on an image optically captured by a CCD camera, a scanner, or the like.
[0051]
As the reinforcing fiber yarn used in the present invention, for example, carbon fiber, graphite fiber, glass fiber, organic fiber (aramid, paraphenylene benzobisoxazole, polyvinyl alcohol, high-strength polyethylene, polyimide, etc.), two or more of these are used in combination. Can be used. Among them, carbon fibers are excellent in specific strength and specific elastic modulus, and thus are preferably used as reinforcing fibers for aircraft applications.
[0052]
Such a carbon fiber thread can be used in a non-twisted or twisted form, but is preferably substantially untwisted in terms of mechanical properties (tensile, compressive, etc.). Further, the fineness is preferably 300 to 5,000 tex. More preferably, it is 600 to 2,000 tex. If it is smaller than this range, in the case of fabrics, the number of crossing points is so large that not only the crimps but also the number of crimps are increased, and the mechanical properties may be poor. If it is larger than the above range, the number of crossing points may be too small and the reinforcing fiber substrate may have poor form stability.
[0053]
As the warp auxiliary fiber yarn or the auxiliary fiber yarn used in the present invention, as described above, the cross-sectional area of the reinforcing fiber yarn (multiplied by the number of cross-sectional areas of single fibers) is preferably 1/10 or less, If it is more preferably 1/100 or less, the same material as the reinforcing fiber yarn can be used. Since the reinforcing effect as a reinforcing fiber is not strongly required, in addition to them, polyamide (undrawn yarn, drawn yarn, POY (semi-drawn yarn by high-speed spinning), etc.), polyester, phenol, and these are used as core-sheath yarn. Organic fibers such as those can be used alone or in combination.
[0054]
The resin material used in the present invention is not particularly limited as long as it improves the morphological stability of the reinforcing fiber base material and does not impair or improve the mechanical properties of the composite material. A plastic resin can be used.
[0055]
As the thermosetting resin, for example, epoxy, phenol, polybenzimidazole, cyanate ester, unsaturated polyester, vinyl ester, urea, melamine, bismaleimide and the like, and copolymers, modified products and blends of two or more thereof Resin or the like can be used. Further, those to which an elastomer, a rubber component, a curing agent, a curing accelerator, a catalyst and the like are added can also be used.
[0056]
As the thermoplastic resin, for example, polyester, polyolefin, polyamide, polyurethane, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyetherimide, polysulfone, polyarylate, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyketone, polyetherketone, polyether Ether ketone, polyether ketone, polyether nitrile, phenol (novolak type), phenoxy resin, styrene resin, acrylic resin, fluorine resin, etc., and copolymers, modified products thereof, and resins obtained by blending two or more kinds are also available. Can be used.
[0057]
As a preferred example of the resin material that maximizes the object of the present invention, a thermosetting resin and a thermoplastic resin are mixed, preferably compatibilized, and have a glass transition point of 30 to 100 ° C, more preferably What carried out 50-90 degreeC is mentioned. Such a resin material not only easily adheres to the reinforcing fiber base material, but also exhibits an extremely excellent effect of improving mechanical properties when an epoxy resin is used as a matrix resin described later.
[0058]
As a more preferred embodiment, the method for producing a composite material of the present invention can include the following steps (E) to (G).
[0059]
(E) Setting process
The cavity is formed by arranging the reinforcing fiber base material manufactured by the above method in a mold. In the present step, when a male mold and a female mold are used as a molding die, a composite material having excellent dimensional accuracy and inexpensive as compared with the conventional autoclave molding can be molded.
[0060]
On the other hand, it is preferable to use either a male mold or a female mold and a bag material as the mold, because the cost of the mold can be reduced and the cost can be further reduced. Examples of such a bag material include a film and a flexible rubber material. Since the bag material is usually flexible, a plate or the like for imparting rigidity to the surface on the bag material side can be used together. By using such a plate together, it is possible to achieve the same level of dimensional accuracy as when a mold is used on both sides.
[0061]
In the latter case, it is not possible to apply pressure to the matrix resin to inject the matrix resin. Therefore, it is preferable to arrange a resin diffusion medium for promoting the impregnation of the matrix resin in the cavity. Such a resin diffusion medium refers to a medium having a high space retention ability (having irregularities on the surface) and a flow resistance of a matrix resin of 1/10 or less of that of a reinforcing fiber base material. Non-woven fabrics and the like are given as examples.
[0062]
(F) Injection process
A matrix resin is injected into the cavity to impregnate the reinforcing fiber substrate with the matrix resin. In this process, when degassing with a vacuum pump or the like and injecting the matrix resin while keeping the inside of the cavity under reduced pressure, the impregnation of the matrix resin into the reinforcing fiber base material becomes easy, and a higher-quality composite material can be shortened in a short cycle. It is preferable because the molding cost can be further reduced.
[0063]
(G) Solidification process
The matrix material is solidified (cured or polymerized) to obtain a composite material. Here, when the matrix resin is solidified, heating is preferably performed to increase the solidification efficiency. If necessary, in order to further secure the solidification of the matrix resin, a secondary solidification step of heating the composite material again to further solidify the composite material may be performed.
[0064]
The matrix resin used in the present invention is preferably a thermosetting resin in view of its moldability and mechanical properties, and those exemplified in the resin materials are preferably used. The difference from the resin material is that, when subjected to injection molding, it must be liquid at the injection temperature. As the thermosetting resin having such properties, epoxy, imide, phenol, vinyl ester, unsaturated polyester, and cyanate ester are preferable. Those obtained by further adding an elastomer, a rubber component, a curing agent, a curing accelerator, a catalyst, and the like to these resins can also be used. Among them, epoxy, bismaleimide or cyanate ester is preferable, and epoxy is particularly preferable, in order to achieve very high mechanical properties required for primary structural members of aircraft and the like.
[0065]
It is preferable that the matrix resin and the resin material be different in consideration of their different roles. That is, a matrix resin having excellent impregnation properties (low resin viscosity at the injection temperature and a long gelling time) and a resin material improving the form stability of the reinforcing fiber substrate are selected and used. Is preferred. Of course, in the matrix resin and the resin material, the use of the same component for a part thereof is not limited at all, and it can be said that it is a preferable embodiment in terms of compatibility between the two.
[0066]
【Example】
(Example 1)
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a preferred embodiment of the production method of the present invention, and shows a state where a reinforcing fiber base material is produced using a loom 31. Next, each step will be described in detail.
[0067]
(A) Pull-out step: 183 warp yarns 32 and 183 auxiliary warp yarns (not shown) were arranged in parallel and alternately, and were drawn directly from each bobbin so as to have a width of 1 m. The yarn width (original yarn width Wo) of the reinforcing fiber yarn on the bobbin was 6.6 mm.
[0068]
As the warp yarn 32, a PAN-based carbon fiber yarn (24,000 filaments, fineness of 1,035 tex, tensile strength of 5,900 MPa, tensile modulus of elasticity of 294 GPa) as a reinforcing fiber yarn was used. In addition, as an auxiliary warp yarn, a glass fiber yarn (ECE225 1/0 1.0Z, fineness 22.5tex, binder type DP, manufactured by Nitto Boseki) which is a warp auxiliary fiber yarn was used.
[0069]
(B) Narrow Width Step: The warp yarn 32 is passed through the heald 34a (the inner dimension of the mail 34b is 2.5 mm) as a guide to reduce the yarn width to the regulated width of 2.5 mm (38% of the original yarn width Wo). I narrowed it. Subsequently, the reed 35 was passed through a reed 35 (the inner dimension of the portion through which the thread passes (the reed blade gap) was 3 mm) to make it 3 mm (45% of the original thread width Wo).
[0070]
Here, weft yarns 33 were driven at a weave density of 3 yarns / cm using a rapier 36 and crossed with an auxiliary warp yarn to form a unidirectional woven fabric having a non-crimp structure in which the warp yarns 32 were integrally held. In addition, as the weft yarn 33, a polyamide fiber yarn (polyamide 66, 7 filaments, fineness 1.7 tex) as an auxiliary fiber yarn was used.
[0071]
(C) Widening step: The yarn width is regulated by the bar 37 (maximum contact angle 20 °), the nip roll 38 (contact angle 90 ° or more) and the drive roll 39 to the target width Wt of 5.1 mm (regulation). The width was increased to 204% of the width Wn and 77% of the original yarn width Wo).
[0072]
The basis weight of the reinforcing fiber yarn in the obtained reinforcing fiber base material was 188 g / m 2, the gap between the reinforcing fiber yarns was 0.4 mm (measured assuming that the auxiliary fiber yarn did not exist), and the fluctuation rate of the yarn width was 8% and the cover factor was 91%.
[0073]
(Example 2)
In the following (D) fixing step 1, a resin material was applied and adhered to the reinforcing fiber base material as the unidirectional woven fabric obtained in Example 1 to fix the width of the reinforcing fiber yarn.
[0074]
(D) Fixing step 1: The particle-shaped resin material is dropped naturally while being measured by an embossing roll and a doctor blade, and is uniformly dispersed through a vibrating net while being 26 g / m2 on one surface. 2 (12% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base after the resin material is attached). Thereafter, the resin material was passed through a far-infrared heater at 185 ° C. to adhere the resin material to only one surface of the reinforcing fiber base material.
[0075]
The obtained reinforcing fiber base material had remarkably improved morphological stability due to the resin material, was extremely excellent in handling than that of Example 1, and the reinforcing fiber yarn was excellent in straightness. Further, the yarn width was stable in the longitudinal direction and the width direction, and was excellent in quality stability. The basis weight of the reinforcing fiber yarn is 190 g / m. 2 The gap between the reinforcing fiber yarns was 0.4 mm, the fluctuation rate of the yarn width was 6%, and the cover factor was 93%.
[0076]
As the particulate resin material, a mixture of 60% by weight of a polyether sulfone resin and 40% by weight of an epoxy resin composition, which was freeze-ground and used. Such a particulate resin material has an average particle diameter D 50 (Laser diffraction / scattering method) 115 μm, glass transition point 68 ° C.
[0077]
(Example 3)
A different resin material was further applied and adhered to the reinforcing fiber base material obtained in Example 2 in the following (D) fixing step 2 to fix the width of the reinforcing fiber yarn more firmly.
[0078]
(D) Fixing step 2: A resin material dispersed in a solvent is applied by spraying, and the solvent is dried in an oven at 180 ° C. to obtain a resin material (solid content) of 1.7 g / m. 2 (0.8% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material after the resin material is attached).
[0079]
The obtained reinforcing fiber base material was excellent in form stability as in Example 2. The yarn width was more stable in the longitudinal direction and the width direction than in Example 2, and was further excellent in quality stability. The basis weight of the reinforcing fiber yarn is 192 g / m 2 The gap between the reinforcing fiber yarns was 0.6 mm, the fluctuation rate of the yarn width was 4%, and the cover factor was 89%.
[0080]
As a resin material dispersed in a solvent, a resin composition (50 parts by weight of "Epicoat" 828 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. and 50 parts by weight of unsaturated polyester) in 98% by weight of a solvent (water). 7% by weight was dispersed in a solvent (water) with 0.3% by weight of an emulsifier.
[0081]
(Example 4)
(A) Pulling-out step: A warp was drawn out in the same manner as in Example 1.
[0082]
(B) Narrow width step: The warp yarn is made to pass through a comb, which is a comb-shaped guide (the inner diameter of a portion where the yarn passes is 3 mm), so that the yarn width becomes 3 mm of the regulation width Wn (45% of the original yarn width Wo). I narrowed it.
[0083]
(C) Widening step and (D) Fixing step 3: A nonwoven fabric resin material bonded to both sides of a aligned reinforcing fiber yarn is sandwiched by release paper, and pressed at 180 ° C. and a linear pressure of 0.2 MPa. After passing through the roll, the yarn width is widened to 5.2 mm of the target width Wt (173% of the regulation width Wn, 78% of the original yarn width Wo), and at the same time, the width of the reinforcing fiber yarn is adhered to the resin material on the surface. Was fixed.
[0084]
As the non-woven resin material, the thermoplastic resin used in Example 2 was formed into a non-woven fabric by melt blowing (13 g / m 2). 2 ) Was used.
[0085]
The obtained reinforcing fiber base material had significantly improved morphological stability due to the resin material, and was easy to handle. Moreover, the reinforcing fiber yarn was excellent in straightness. Further, the yarn width was stable in the longitudinal direction and the width direction, and was excellent in quality stability. The basis weight of the reinforcing fiber yarn is 190 g / m. 2 The gap between the reinforcing fiber yarns was 0.3 mm, the fluctuation rate of the yarn width was 5%, and the cover factor was 94%.
[0086]
(Example 5)
Using the reinforcing fiber base material manufactured in Examples 1 to 4, a composite material was formed by the following method.
[0087]
A reinforcing fiber substrate was laminated on the surface of the aluminum mold in the following constitutions 1 and 2. On the outermost surface thereof, a peel ply (a woven fabric subjected to a release treatment of polyester fibers) and a resin diffusion medium (a mesh sheet made of polypropylene) were arranged in this order, and an aluminum cowl plate was further arranged thereon. A plurality of edge breathers (non-woven fabric of polyester fiber) were laminated and stretched around the periphery of the laminated reinforcing fiber substrate in contact with the mold. The maximum outer shape in plan view of the resin diffusion medium is larger than the maximum outer shape in plan view of the reinforcing fiber base of the resin diffusion medium so that the distance from the vacuum suction port or the edge breather to the nearest resin diffusion medium is at least 10 mm away. It was arranged to be about 10 to 50 mm smaller. The whole was covered with a bag material (nylon film), and the periphery of the bag material and the mold was sealed with a sealing material to form a cavity. The resin injection port was attached so as to be in contact with the resin diffusion medium, and was sealed with a sealing material. The vacuum suction port was mounted on the edge breather farthest from the resin inlet and was similarly sealed. Suction was performed through the vacuum suction port, and the inside of the cavity was suctioned. The entire apparatus was heated to the matrix resin injection temperature (80 ° C.). While continuing the vacuum suction, the reinforcing fiber substrate was held for one hour after reaching the injection temperature. After that, the valve at the resin injection port was opened to mix and defoam beforehand, and a required amount of the matrix resin prepared in an injectable state was injected from the resin diffusion medium. When the impregnation was completed, the valve at the resin inlet was closed to stop the injection. The vacuum suction was continued until the matrix resin gelled (1.5 hours from the start of the injection). Thereafter, the temperature was raised to the curing temperature (130 ° C.) of the matrix resin, and maintained for 2 hours to cure the matrix resin. When the temperature reached the curing temperature, the vacuum suction port was closed to stop the suction, and the inside of the bag material was kept in a vacuum state. Thereafter, the temperature was lowered to room temperature, and the bag material, the peel ply and the resin impregnated medium were removed to obtain a composite material.
[0088]
Lamination structure 1: [0 °] 6 , Total 6 layers, 150m x 150mm.
[0089]
Lamination structure 2: [-45 ° / 0 ° / + 45 ° / 90 °] 3S , Total 24 layers, 370 mm x 370 mm.
[0090]
Inspection of the obtained composite material showed no pinholes or voids anywhere, demonstrating that extremely good molding was performed.
[0091]
Next, the compressive strength of the test piece along the SACMA-SRM-1R-94 was measured from the composite material of the laminate configuration 1. Further, the compressive strength (CAI) of the test piece along the SACMA-SRM-2R-94 from the composite material having the laminated structure 2 after impact was measured. Table 1 shows the results. As the matrix resin, an epoxy resin composition (using a polyamine as a curing agent and a viscosity of 55 mPa · s at 80 ° C. by an E-type viscometer) was used.
[0092]
(Comparative Example 1)
(A) Pulling-out step: 274 warp yarns were arranged in parallel and drawn directly from each bobbin so as to have a width of 1 m. The original yarn width Wo, which is the width of the reinforcing fiber yarn on the bobbin, was 6.6 mm. The same warp yarn as in Example 1 was used.
[0093]
(B) Narrowing step: The warp yarn was passed through a heald (inner dimension of the mail was 5 mm) as a guide and narrowed to 5 mm. Next, the thread width was reduced to 3.5 mm of the regulation width (53% of the original thread width Wo) by passing through a reed (the inner dimension of the portion where the thread passes (reed blade gap) is 3.5 mm). .
[0094]
A unidirectional woven fabric having a plain weave structure was formed in the same manner as in Example 1 except that the same glass fiber thread as in Example 1 was used as the weft, and no warp yarn was used and the warp yarn and the weft yarn were crossed.
[0095]
(C) Widening step: The thread width is passed through a nip roll (contact angle of 90 ° or more) and a driving roll without using a bar for regulating the opening before weaving, and the yarn width is set to 3.6 mm of the target width Wt (103 of the regulation width Wn). %, 55% of the original yarn width Wo).
[0096]
The obtained reinforcing fiber yarn of the reinforcing fiber base material was particularly constricted at the point of intersection with the weft yarn, and the yarn was gourd-like and inferior in straightness. In addition, the gaps between the reinforcing fiber yarns were not uniformly present but partially existed at about 0.1 to 0.2 mm, which was inferior in quality stability. Reinforced fiber yarn weight is 285g / m 2 The variation rate of the yarn width was 12%, and the cover factor was 98%.
[0097]
(Comparative Example 2)
Using the reinforcing fiber base material produced in Comparative Example 1, a composite material was formed in the same manner as in Example 5 except that the following laminated structure 3 was used instead of the laminated structure 2. Table 1 shows the compressive strength and CAI of the composite material.
[0098]
Lamination structure 3: [−45 ° / 0 ° / + 45 ° / 90 °] 2S, 16 layers in total, 370 mm × 370 mm.
[0099]
[Table 1]
Figure 2004256961
[0100]
With respect to the mechanical properties of the composite material, the one in this example showed a very high value, and the one in Example 2 was particularly excellent in balance. On the other hand, in the case of Comparative Example 1, the CAI is significantly lower than in Examples 2 to 4, and the contribution of the resin material is clear.
[0101]
With respect to the impregnating property, quality stability and form stability of the matrix resin of the reinforcing fiber base, those of Examples 2 and 3 were particularly excellent. In the case of Example 1, the resin material was not used, so that the impregnation property and form stability were equal to or less than those of Examples 2 and 3. That is, it can be said that one of the most preferable aspects of the present invention is that of Example 2 or 3.
[0102]
【The invention's effect】
According to the production method of the present invention, since the yarn width can be accurately and stably controlled to the target width Wt, the gap and the cover factor of the reinforcing fiber yarn can be uniformly controlled within a desired range, that is, the quality It is possible to obtain a reinforcing fiber base material which is excellent in stability, suppresses meandering and bending of the reinforcing fiber yarn, and has excellent straightness. As a result, a composite material having good matrix resin impregnation properties and excellent mechanical properties (particularly, compressive strength and CAI) can be obtained with good productivity, and a reinforced fiber base material and a composite material having excellent quality stability can be obtained. Material can be provided.
[0103]
Such a composite material is suitable for a primary structural member, a secondary structural member, an exterior component, an interior component, or a component thereof in transport equipment such as an aircraft, an automobile, and a ship.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic process diagram illustrating a flow of a manufacturing process of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of one embodiment of a reinforcing fiber base manufactured by the manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view illustrating a preferred embodiment of the production method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Withdrawal process
2: Narrow width process
3: Widening process
4: Fixing process
21: Reinforced fiber base material
22, 32: warp yarn (reinforced fiber yarn)
23, 33: weft (auxiliary fiber yarn)
24: resin material
25: auxiliary warp yarn (warp auxiliary fiber yarn)
31: Loom
34a: Heald
34b: Email
35: Reed
36: Rapier
37; Bar for regulating the opening on the cloth fell
38: Nip roll
39: drive roll

Claims (15)

少なくとも一方向に平行に配列した強化繊維糸条から構成される強化繊維基材の製造方法であって、次の(A)〜(C)の工程を経ることを特徴とする強化繊維基材の製造方法。
(A)元糸幅Woの強化繊維糸条を引き出す引出工程。
(B)糸条幅を、元糸幅Woの20%を超え85%未満の規制幅Wnに狭める狭幅工程。
(C)糸条幅を、規制幅Wnの110%を超え元糸幅Wo未満の目標幅Wtに広げる拡幅工程。
What is claimed is: 1. A method for producing a reinforcing fiber base comprising reinforcing fiber yarns arranged in at least one direction in parallel, wherein the method comprises the following steps (A) to (C). Production method.
(A) A drawing step of drawing a reinforcing fiber yarn having a raw yarn width Wo.
(B) a narrowing step of narrowing the yarn width to a regulation width Wn of more than 20% and less than 85% of the original yarn width Wo.
(C) a widening step of widening the yarn width to a target width Wt exceeding 110% of the regulation width Wn and less than the original yarn width Wo.
(B)の狭幅工程が、元糸幅Woよりも狭い寸法を有するガイドに強化繊維糸条を通過させるものであることを特徴とする請求項1に記載の強化繊維基材の製造方法。The method for producing a reinforcing fiber base according to claim 1, wherein the narrowing step (B) is to pass the reinforcing fiber yarns through a guide having a dimension smaller than the original yarn width Wo. (C)の拡幅工程が、接触角度が10°以上のバーに強化繊維糸条を通過させるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の強化繊維基材の製造方法。3. The method for producing a reinforcing fiber base according to claim 1, wherein the widening step of (C) passes the reinforcing fiber yarn through a bar having a contact angle of 10 ° or more. 4. ガイドが織機における綜絖および/または筬であり、かつ接触角度が10°以上のバーが織機における織前で開口を規制するバーおよびニップロールであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。The bar according to any one of claims 1 to 3, wherein the guide is a heald and / or a reed in a loom, and the bar having a contact angle of 10 ° or more is a bar and a nip roll for regulating an opening before weaving in the loom. The method for producing a reinforcing fiber base according to the above. (C)の拡幅工程と同時またはそれ以降に、次の(D)の工程を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。
(D)強化繊維基材100重量%に対して0.1〜20重量%の樹脂材料を接着して、強化繊維糸条の幅を固定する固定工程。
The method for producing a reinforcing fiber substrate according to any one of claims 1 to 4, further comprising the following step (D) simultaneously with or after the step of widening (C).
(D) A fixing step of adhering 0.1 to 20% by weight of a resin material to 100% by weight of the reinforcing fiber base to fix the width of the reinforcing fiber yarn.
(D)の固定工程が、固体状の樹脂材料を塗布または貼り合わせた後、樹脂材料を溶融させて、強化繊維基材100重量%に対して2〜20重量%の範囲内で強化繊維糸条に接着するものであることを特徴とする請求項5に記載の強化繊維基材の製造方法。In the fixing step (D), the solid resin material is applied or bonded, and then the resin material is melted, and the reinforcing fiber yarn is used in a range of 2 to 20% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. The method for producing a reinforcing fiber base according to claim 5, wherein the reinforcing fiber base is adhered to a strip. (D)の固定工程が、溶融している樹脂材料を塗布して、強化繊維基材100重量%に対して2〜20重量%の範囲内で強化繊維糸条に接着するものであることを特徴とする請求項5に記載の強化繊維基材の製造方法。(D) The fixing step is to apply a molten resin material and adhere to the reinforcing fiber yarn within a range of 2 to 20% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. The method for producing a reinforcing fiber base according to claim 5, characterized in that: (D)の固定工程が、溶媒中に溶解または分散した樹脂材料を塗布した後に脱溶媒して、強化繊維基材100重量%に対して0.5〜5重量%の範囲内で強化繊維糸条に接着するものであることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。In the fixing step (D), a resin material dissolved or dispersed in a solvent is applied and then the solvent is removed, and the reinforcing fiber yarn is in a range of 0.5 to 5% by weight based on 100% by weight of the reinforcing fiber base material. The method for producing a reinforcing fiber base according to any one of claims 5 to 7, wherein the reinforcing fiber base is bonded to a strip. 強化繊維基材が、少なくとも強化繊維糸条をたて糸とし、補助繊維糸条をよこ糸とした一方向性織物であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。The reinforcing fiber substrate according to any one of claims 1 to 8, wherein the reinforcing fiber substrate is a unidirectional woven fabric having at least a reinforcing fiber yarn as a warp and an auxiliary fiber yarn as a weft. Production method. 強化繊維基材が、強化繊維糸条とたて補助繊維糸条とをたて糸とし、補助繊維糸条をよこ糸とした一方向性織物であることを特徴とする請求項9に記載の強化繊維基材の製造方法。The reinforcing fiber base according to claim 9, wherein the reinforcing fiber base material is a unidirectional woven fabric in which the reinforcing fiber yarns and the warp auxiliary yarns are warp yarns and the auxiliary fiber yarns are weft yarns. The method of manufacturing the material. 強化繊維基材が、少なくとも強化繊維糸条をたて糸とした一方向性シートであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。The method for producing a reinforcing fiber base according to any one of claims 1 to 8, wherein the reinforcing fiber base is a unidirectional sheet having at least a reinforcing fiber thread as a warp. 強化繊維基材の強化繊維糸条の隙間が0.1〜1mmであり、かつ、強化繊維糸条の糸条幅の変動率が0〜10%であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。The gap between the reinforcing fiber yarns of the reinforcing fiber substrate is 0.1 to 1 mm, and the variation rate of the yarn width of the reinforcing fiber yarns is 0 to 10%. A method for producing a reinforcing fiber base according to any one of the above. 強化繊維基材のカバーファクターが、80を超え95%未満であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の強化繊維基材の製造方法。The method for producing a reinforcing fiber base according to any one of claims 1 to 12, wherein a cover factor of the reinforcing fiber base is more than 80 and less than 95%. 少なくとも請求項1〜13のいずれかに記載の方法で製造した強化繊維基材を用いる複合材料の製造方法であって、次の(E)〜(G)の工程を経ることを特徴とする複合材料の製造方法。
(E)強化繊維基材を、成形型に配置してキャビティを形成するセット工程。
(F)マトリックス樹脂を、キャビティ内に注入して強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる注入工程。
(G)マトリックス樹脂を固化させて複合材料とする固化工程。
A method for producing a composite material using a reinforcing fiber substrate produced by at least the method according to any one of claims 1 to 13, wherein the composite material is subjected to the following steps (E) to (G). Material manufacturing method.
(E) a setting step of arranging a reinforcing fiber base in a mold to form a cavity;
(F) an injection step of injecting the matrix resin into the cavity to impregnate the reinforcing fiber base material with the matrix resin.
(G) a solidification step of solidifying the matrix resin to form a composite material.
(E)のセット工程が、成形型として雄型または雌型のいずれかとバッグ材とを用い、かつキャビティ内に樹脂拡散媒体を配置するものであり、(F)の注入工程が、キャビティ内を減圧状態に保ちながらマトリックス樹脂を注入するものであることを特徴とする請求項14に記載の複合材料の製造方法。The setting step (E) uses either a male mold or a female mold as a molding die and a bag material, and disposes a resin diffusion medium in the cavity. The method for producing a composite material according to claim 14, wherein the matrix resin is injected while maintaining a reduced pressure.
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