説明

ガラス繊維強化複合材料およびその製造方法

【課題】ポリ塩化ビニル系樹脂をマトリックス樹脂とし、強化繊維としてガラス繊維織物の繊維束内部および表面に樹脂を付着させたドライプリプレグを作製し、複数枚積層し、高温加圧条件下で一体成形して得られる、接着性および機械的強度が向上したガラス繊維強化複合材料を提供する。
【解決手段】たとえば、あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液に、強化繊維であるガラス繊維織物を含浸させ、乾燥することにより、繊維束内にマトリックス樹脂を含浸させたドライプリプレグを作製し、これを再度樹脂溶液中に含浸させて、次いでドライプリプレグ表面に樹脂溶液を付着させ、乾燥させることにより得られたものを、複数枚積層し、マトリックス樹脂の軟化点以上の温度条件下で加圧した後に、冷却、硬化させることにより作製される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガラス繊維を強化材とし、熱可塑性樹脂を母材(マトリックス)とするガラス繊維強化熱可塑性複合材料に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、熱可塑性樹脂に無機の充填剤を配合して機械的強度、耐熱性を付与する研究が多数なされてきており、実用化に至っている。
【0003】
上記、熱可塑性樹脂の一例として、例えばポリ塩化ビニル系(PVC)樹脂は、耐薬品性、電気絶縁性などが優れた樹脂であり、また、安価であることから、フィルム、繊維、各種パイプ、継手、建材、波板をはじめ様々な形状の成形品などの広い範囲で汎用的に使用されている。
【0004】
このような特徴を有するPVCは、機械的特性のさらなる向上のために、針状無機物あるいは板状の無機系粘土、炭酸カルシウム、ガラス繊維等の無機充填剤が配合されたものが一般的に知られている。しかし、針状無機物である珪酸カルシウム、チタン酸カリウム、塩基性硫酸マグネシウム、セピオライト、ゾノトライト、ホウ酸アルミニウム等、または板状無機物としてタルク、マイカ等の無機粘土系を充填剤に用いた場合には、補強効果が少なく、十分に機械的強度を向上させるためには多量の配合を必要とし、それによって耐衝撃性、靭性が低下するという問題がある。一方、ガラス繊維が充填材として用いられる場合は、軽量化や強度の向上だけでなく、電気絶縁性や加工性等の多くの要求を実現可能であり、そのガラス繊維の形態としては、例えば短繊維の形状のチョップドストランドが挙げられ、射出成形や押出成形によりガラス短繊維が混入したペレット形状の成形品やスタンパブルシートなどとして知られている。
【0005】
連続したガラス繊維を用いた複合材料は、例えば、目付量が小さい格子(網)状の織布を、シート状の塩化ビニル樹脂で挟んだ形状の波板材やカーテン材などの成形品が知られており、他にも、連続した一方向のガラス繊維を粉体状のPVC樹脂中を通過させて、強化繊維に樹脂を付着させた後に、連続的に加熱溶融し、強化繊維と一体化させた成形品も知られている。また、織物形状を有するガラス繊維を予め金型内に基材配置し、PVCを溶融押出することにより一体化させる方法などが知られているが、数百〜数万本のモノフィラメントからなるガラス繊維織物材を強化繊維に用いた場合、高温下で溶融した状態のPVC樹脂の粘度が大きいため、樹脂の流動と共に強化繊維が流され、織物材の目崩れを起こしたり、ガラス繊維のモノフィラメント束の内部まで十分に含浸されず、ボイド(空隙)が発生し、機械的強度が低下しやすい問題がある。また、ボイドを無くすために長時間熱プレスを施した場合は、樹脂及び強化繊維が熱劣化し、複合材料の強度等が低下する問題点がある。
【0006】
また、ガラス繊維表面にプラズマ処理またはオゾン処理、コロナ処理、さらにはケミカルエッチング処理にて官能基を施して、PVC樹脂に適合したサイジング剤を付着させたり、添加剤を加えるなどにより、界面の接着性を向上させる方法があるが、工程数が増えて製造コストが増大したり、ガラス繊維そのものに損傷を与えたり、複合材料の強度を低下させるなどの問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2005−299047号公報
【特許文献2】特開1987−156359号公報
【特許文献3】特開1991−158211号公報
【特許文献4】特開1991−158211号公報
【特許文献5】特開1998−278121号公報
【特許文献6】特開2010−52370号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ポリ塩化ビニル系樹脂をマトリックス樹脂とし、強化繊維としてガラス繊維織物のモノフィラメント束内部および表面に樹脂を付着させたドライプリプレグを作製し、複数枚積層した状態で、高温加圧条件下で一体成形して得られる、接着性および機械的強度が向上した、織物繊維の目崩れのないガラス繊維強化複合材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
このような課題に対して、鋭意検討した結果、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は以下の構成よりなる。
(1)ポリ塩化ビニル系樹脂をマトリックス樹脂とし、モノフィラメント束からなる織布形状を有するガラス繊維を強化繊維とする、ASTM−D2344に基づく3点曲げによるショートビームシェア試験法により測定した見かけの層間せん断強度が25℃で20MPa以上であるガラス繊維強化複合材料。
(2)あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液に、ガラス繊維織物を含浸させ、乾燥することにより、モノフィラメント束内および束表面にマトリックス樹脂を含浸させたドライプリプレグを作製し、これを再度樹脂溶液中に含浸させてドライプリプレグ表面に樹脂溶液を付着させ、乾燥させることにより得られたものを、複数枚積層した状態で、マトリックス樹脂の軟化点以上の温度条件下で加圧した後に、冷却、硬化させることにより作製される(1)に記載のガラス繊維強化複合材料。
(3)あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液に、ガラス繊維織物を含浸させ、乾燥することにより、モノフィラメント束内および束表面にマトリックス樹脂を含浸させたドライプリプレグを作製し、これとマトリックス樹脂とを、交互に複数枚積層した状態で、マトリックス樹脂の軟化点以上の温度条件下で加圧した後に、冷却、硬化させることにより作製される(1)に記載のガラス繊維強化複合材料。
(4)マトリックス樹脂の重量含有率が20%〜60%である(1)〜(3)のいずれかに記載のガラス繊維強化複合材料。
【発明の効果】
【0010】
本発明により、連続したガラス繊維と、ポリ塩化ビニル系樹脂からなる、機械的物性が向上した、織物繊維の目崩れのないガラス繊維強化複合材料を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に本発明を詳細に説明する。
【0012】
本発明に適用するガラス繊維のガラス組成は、Eガラス(無アルカリガラス組成)、ARガラス(耐アルカリ性ガラス組成)、Cガラス(耐酸性のアルカリ石灰含有ガラス組成)、Dガラス(低誘電率を実現する組成)等を適用することが出来るが、好ましくはEガラスが適している。
【0013】
さらに、ガラス繊維以外に、本発明の効果を損なわない程度に例えば、他種炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維等の無機繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル系繊維、ポリオレフィン系繊維、ノボロイド繊維などの有機合成繊維を組み合わせて用いる事ができる。
【0014】
ガラス繊維織物材に使用されるガラス繊維はモノフィラメントが複数本収束したストランド(トウ)形状を有するが、そのモノフィラメントの数は、特に限定されるものではなく、好ましくは数百から数万であり、より好ましくは数百から数千本である。
【0015】
また、繊維強化複合材料を構成する繊維材料の形態は、織り(平織、綾織、朱子織、からみ織、模紗織、斜紋織、二重織など)による連続した繊維形状の構造体である限り、特に限定されるものでなく、その目的に応じ適宜選択すれば良く、これらを単独あるいは組み合わせて用いることができる。一般的に、前記ガラス繊維には、サイジング処理が施されているが、本発明では、必要に応じて、本発明の実施の前にサイジングを除去しておくことが望ましい。
【0016】
本発明に適用される強化繊維の目付は、好ましくは50〜400g/m2であり、より好ましくは100〜300g/m2である。強化繊維の目付が50g/m2に満たないと、樹脂溶液が十分に付着されず、乾燥後のドライプリプレグに樹脂の抜けが発生しやすく、強化繊維の目付が400g/m2を超えると、含浸時に樹脂が厚み方向の中央部まで到達せず、未含浸部(ボイド)が残存した繊維強化複合材料となり、機械的物性の低下を招く可能性がある。
【0017】
本発明に適用されるポリ塩化ビニル系樹脂とは、塩化ビニルモノマーに由来する繰り返し単位を50重量%以上含む樹脂をいう。本発明のポリ塩化ビニル系樹脂における、塩化ビニルモノマーに由来する繰り返し単位量は、60重量%以上であることが好ましく、75重量%以上であることがより好ましく、90重量%以上であることがさらに好ましい。本発明のポリ塩化ビニル系樹脂は、典型的には塩化ビニルモノマーのラジカル重合により製造され、特に限定されることは無いが、塩化ビニル単独もしくは塩化ビニルと共重合し得る単重合体との共重合体が含まれる。例えば、有機酸のビニルエステル、ビニリデンフルオロフロライド、ビニリデンクロライド、対称ジクロルエチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アルキルアクリレートエステル、アルキルメタクリレートエステル、ジブチルフマレート、およびジエチルマレート等の不飽和二塩基酸のジアルキルエステル、不飽和炭化水素、アリール化合物、共役および交叉共役エチレン不飽和化合物等との共重合体が含まれる。このような共重合体は、直線状共重合体や枝分かれした共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などである。
【0018】
また、本発明に適用されるポリ塩化ビニル系樹脂の分子量は、本発明において作製された複合材料の特性を損なわない程度であれば、特に限定されるものではなく、好ましくは、5000〜100000の重合体である。
【0019】
適用するポリ塩化ビニル系樹脂の形態としては、特に限定されるものではないが、粉末状、ペレット状、フィルム状、板状、パウダー状のものが用いられる。
【0020】
本発明に適用されるポリ塩化ビニル系樹脂には、必要に応じて、熱安定剤、酸化防止剤、金属不活性剤、燐系加工安定剤、紫外線吸収剤、紫外線安定剤、蛍光増白剤、金属石鹸、制酸吸着剤などの安定剤、または架橋剤、連鎖移動剤、核剤、滑剤、可塑剤、充填材、強化材、顔料、染料、難燃剤、帯電防止剤などの添加剤を本発明の効果を損なわない範囲内で添加してもよい。
【0021】
塩化ビニル樹脂と上記安定剤等の添加剤を混合させる方法は、特に限定されるものではないが、例えば、塩化ビニル樹脂粉末と物理的に混合したり、有機溶媒中において相溶させたり、溶融(軟化)状態で混練させたり、複合材料の成形時に添加されるものであってもよい。
【0022】
上記のガラス繊維とマトリックス樹脂との複合材料の作製方法としては、特に限定されるものではない。
【0023】
作製方法の例としては、まず、あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた溶液中に、1枚あるいは複数枚のガラス繊維織物を含浸させ、取り出した後に、常圧もしくは減圧下、室温もしくは加熱しながら乾燥させることで、ガラス繊維束内に樹脂を付着させたドライプリプレグを作製する。さらにドライプリプレグ表面に樹脂を付着させる必要があれば、同樹脂濃度もしくは樹脂濃度の異なる有機溶剤中に再び含浸、乾燥させる操作を繰り返し行ったり、層間に粉末状、フィルム形状などのマトリックス樹脂を挿入するなどしてドライプリプレグを積層し、プレス機、ラミネーター成形機などを使用して、高温条件下においてドライプリプレグに付着した樹脂を軟化させ、加圧して一体化した後、冷却、硬化させる方法により行うことができる。
【0024】
ガラス繊維織物を樹脂溶液に含浸させる際の樹脂溶液の濃度は、特に限定されるものではないが、繊維束内部に存在する空気と樹脂溶液が十分に置換できる溶液粘度が低い濃度が望ましい。また、この得られたドライプリプレグを再度樹脂溶液に含浸して、ドライプリプレグの表面に樹脂を付着させる際の樹脂溶液濃度は、特に限定されるものではなく、乾燥後のドライプリプレグの樹脂量を適切に調節するために調整すれば良く、繰り返し含浸および乾燥操作を行うことも可能である。
【0025】
ドライプリプレグを作製する際に用いられる有機溶媒の種類としては、塩化ビニル樹脂を溶解させるものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、テトラヒドロフランや、シクロヘキサノン、ジオキサン、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。
【0026】
作製したドライプリプレグ中に含まれる溶媒量は、特に限定されるものではないが、ドライプリプレグを用いて加圧成形して得られた複合材料中にボイドを発生し機械的強度を低下させない程度の量であれば良いが、可能な限り溶媒を含まないことが好ましい。
【0027】
また、複合材料の作製方法として、溶媒を用いなくても、ガラス繊維平織材と塩化ビニル樹脂を交互に積層した上でプレス機、ラミネーター成形機などを使用して、高温条件下において樹脂を軟化させ、加圧して一体化した後、冷却、硬化させる方法も挙げられる。得られた複合材料をさらに積層して高温加圧条件下で一体化させることも出来る。
【0028】
本発明のガラス繊維強化複合材料を作製する際に、積層するドライプリプレグの枚数は、特に限定されるものではないが、好ましくは5枚以上であり、さらに好ましくは10枚以上である。ドライプリプレグの枚数は、通常、100枚以下である。
【0029】
本発明のガラス繊維強化複合材料を作製する際に、上記軟化したマトリックス樹脂をガラス繊維に含浸させ、ドライプリプレグ同士を一体化せしめる際の温度は、マトリックス樹脂の融点以上の温度であれば特に限定されるものではないが、好ましくは160℃以上であり、さらに好ましくは180℃以上である。ドライプリプレグ同士を一体化せしめる際の温度は、通常、500℃以下である。
【0030】
本発明の繊維強化複合材料を作製する際に、上記軟化したマトリックス樹脂をガラス繊維に含浸させ、ドライプリプレグ間を一体化せしめる際の加圧条件は、好ましくは1MPa以上の圧力であり、より好ましくは10MPa以上であり、さらに好ましくは20MPa以上である。加圧条件は、通常、500MPa以下である。
【0031】
本発明で得られたガラス繊維複合材料の形状は、特に限定されるものではないが、金型によって種々の形状に成形され、例えば、平板形状、凸型形状、凹型形状、T型形状、Z型形状、I型形状などが挙げられ、また、ボルトやリベットなどを用いて機械的結合させるために、穴のあいた形状も挙げられる。
【0032】
ガラス繊維強化複合材料中に含まれる樹脂含有量は、好ましくは10〜60重量%、より好ましくは、20〜60重量%、さらに好ましくは20〜50重量%とするのがよい。樹脂含有量が60重量%を越えると、軽量化に適さない場合があり、10重量%未満の場合では樹脂量が少ないため複合材料中にボイドが残存し、機械特性が低下する場合がある。
【0033】
本発明で得られたガラス繊維複合材料の見かけの層間せん断強度は、ASTM−D2344に基づく複合材料の3点曲げによるショートビームシェア試験法に準拠して、作製した積層板の中心部付近を裁断して測定された結果、界面での層間せん断破壊と共に、樹脂の圧縮破壊や引張り破壊などの他の破壊様式を伴って起こる可能性があるため、見かけの層間せん断強度として定義されるものであるが、その見かけの層間せん断強度は、実用上での使用に耐えうるために、20MPa以上であることが好ましく、25MPa以上であることがさらに好ましい。見かけの層間せん断強度は、通常、300MPa以下である。
【実施例】
【0034】
以下に、本発明を説明するためにいくつかの実施例を示すが、これによって本発明を限定するものではない。また、用いた原材料、各特性の測定条件は次の通りとした。
<マトリックス樹脂>
カネカ製ポリ塩化ビニル樹脂(商品名:カネビニールS−400(平均重合度:480)
<安定化剤>
日東化成製メチルスズ系液体状安定化剤 商品名:AT−1500
<ガラス繊維>
Hanguk Fiber社製ガラス繊維平織材(商品名:G618、繊維目付:200g/m2
<ガラス繊維複合材料の層間せん断強度測定>
ASTM−D2344に準拠して行った。
<ガラス繊維複合材料の作製方法>
【0035】
(実施例1)
カネビニールS−400 100部とAT−1500 3部を粉末攪拌機にて均一混合した後に、カレンダー成形機にて165℃で軟化させながら均一に混練し、厚さ約700μmのシートを作製した。これをTHFに均一溶解させ、15〜20wt%のTHF溶液を作製し、ステンレス製容器に移した。予めガラス繊維平織材(約10cm角)の表面をTHFにて洗浄し、乾燥させたものを、上記ポリ塩化ビニル樹脂のTHF溶液に浸して取り出し、常圧下、エアードライヤーにて30分乾燥させ、ドライプリプレグを作製した。上記操作をガラス繊維平織材12枚に対し行い、得られたドライプリプレグ中の平均樹脂量は、約27%であった。さらに作製した12枚のドライプリプレグを再度、同樹脂溶液中に浸し、取り出した後に乾燥させた。上記操作により、さらに樹脂を付着させて得られたドライプリプレグの平均樹脂量は、約42重量%であった。
【0036】
凸型(厚さ2mm、6.5cm角)形状を有するステンレス板(厚さ1cm、10cm角)に、中心部に孔(厚さ1cm、6.5cm角)があいたステンレス製スペーサー(厚さ1cm、10cm角)を噛み合わせた。孔の中に剥離フィルムとしてテトラフルオロエチレン製シートを置き、その上から上記で作製した平均樹脂量が約42重量%のドライプリプレグを12枚積層した。
【0037】
さらに上部にテトラフルオロエチレン製シートを積層し、凸型(厚さ6mm、6.5cm角)形状を有するステンレス板(厚さ1cm、10cm角)をかみ合わせ、予め加熱しておいたプレス成形機(成形温度180℃)内にセットし、金型温度が180℃に達した後に、圧力20MPa、時間5分で圧縮成形し、冷却硬化させることで、繊維織物の目崩れがない厚さが約2−3mmの板状のガラス繊維複合材料を得た。結果を表1に示す。
【0038】
(実施例2)
実施例1において最終的に得られた平均樹脂量が約42重量%のドライプリプレグに対し、さらに樹脂溶液への浸漬と乾燥操作を繰り返し加えた他は、実施例1と全く同様にして行った。最終的に得られたドライプリプレグ中の平均樹脂量は57重量%であった。結果を表1に示す。
【0039】
(実施例3)
実施例1と同様にして作製した15〜20wt%のPVC樹脂濃度のTHF溶液を、ステンレス製容器に移した。予めガラス繊維平織材(約10cm角)の表面をTHFにて洗浄し、乾燥させたものを、上記ポリ塩化ビニル樹脂のTHF溶液に浸して取り出し、常圧下、エアードライヤーにて30分乾燥させ、ドライプリプレグを作製した。上記操作をガラス繊維平織材12枚に対して行った。得られたドライプリプレグ中の平均樹脂量は、約32%であった。
【0040】
上記で作製した15〜20wt%の樹脂濃度のカネビニールS−400のTHF溶液を、ガラス基板上に流延し、空気循環式オーブン中にて30分乾燥させることで、厚さ約30μmのPVCフィルムを得た。
【0041】
実施例1と同じ金型を使用して、孔の中にテトラフルオロエチレン製シートを置き、その上から上記で作製したカネビニールS−400の樹脂フィルム(6.5cm角)と上記で作製したドライプリプレグ(6.5cm角)を交互に重ね、ポリ塩化ビニル樹脂のフィルム層は合計13層、ドライプリプレグ層は12層となるように積層した。ポリ塩化ビニルの重量は、ドライプリプレグ中に含まれる重量とフィルムの重量を含め、全重量に対して、40重量%となるようにした。
【0042】
その後、さらにテトラフルオロエチレン製シートと実施例1と同じ凸型形状を有するステンレス板をかみ合わせ、プレス成形機(成形温度180℃、圧力20MPa、時間5分)で高温圧縮一体化成形し、冷却硬化させることで、繊維織物の目崩れがない厚さが約2−3mmの板状のガラス繊維複合材料を得た。結果を表1に示す。
【0043】
(比較例1)
実施例1と同様にして得られたシート形状を有する厚さ約700μmのカネビニールS−400を用いて、温度180℃、圧力20MPaの条件下にて5分間プレス成形し、厚さ約200μmのカネビニールS−400のフィルムを作製した。実施例1と同じ金型を用いて、金型内にテフロンシート(テフロンは登録商標)を置き、その上から上記で作製した厚さ約200μmのポリ塩化ビニルフィルムとガラス繊維平織材とを交互に重ね、ポリ塩化ビニル樹脂のフィルム層は合計13層、ガラス繊維平織材層は12層となるように積層した。ポリ塩化ビニルの重量は、全重量に対して、40重量%となるようにした。
【0044】
さらに上部にテトラフルオロエチレン製シートと、実施例1と同じ凸型形状を有するステンレス板をかみ合わせ、さらに同条件下で高温加圧成形することで一体化してガラス繊維強化複合材料を得た。得られた複合材料は、樹脂の流動に伴い、織物繊維の一部が端部方向に目崩れしていた。
【0045】
実施例1〜3および比較例1の、ドライプリプレグの樹脂量、ガラス繊維複合材料の樹脂量、繊維体積含有率、見かけの層間せん断強度を、表1にまとめた。
【0046】
【表1】

【0047】
実施例1〜3で得られたガラス繊維強化複合材料の積層板は、実用上十分な層間せん断強度を備えていた。一方、比較例1により得られた積層板は、十分な強度、層間せん断強度を有していなかった。従い、これらの比較から、本発明により得られるガラス強化複合材料は、接着性および機械的強度に優れていることが明らかである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリ塩化ビニル系樹脂をマトリックス樹脂と、モノフィラメント束からなる織布形状を有するガラス繊維を強化繊維とする、ASTM−D2344に基づく複合材料の3点曲げによるショートビームシェア試験法により測定した見かけの層間せん断強度が25℃で20MPa以上であるガラス繊維強化複合材料。
【請求項2】
あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液に、ガラス繊維織物を含浸させ、乾燥することにより、モノフィラメント束内および束表面にマトリックス樹脂を含浸させたドライプリプレグを作製し、これを再度樹脂溶液中に含浸させてドライプリプレグ表面に樹脂溶液を付着させ、乾燥させることにより得られたものを、複数枚積層した状態で、マトリックス樹脂の軟化点以上の温度条件下で加圧した後に、冷却、硬化させることにより作製される請求項1に記載のガラス繊維強化複合材料。
【請求項3】
あらかじめマトリックス樹脂を有機溶媒に溶解させた樹脂溶液に、ガラス繊維織物を含浸させ、乾燥することにより、モノフィラメント束内および束表面にマトリックス樹脂を含浸させたドライプリプレグを作製し、これとマトリックス樹脂とを、交互に複数枚積層した状態で、マトリックス樹脂の軟化点以上の温度条件下で加圧した後に、冷却、硬化させることにより作製される請求項1に記載のガラス繊維強化複合材料。
【請求項4】
マトリックス樹脂の重量含有率が20%〜60%である請求項1〜3いずれか一項に記載のガラス繊維強化複合材料。

【公開番号】特開2011−246595(P2011−246595A)
【公開日】平成23年12月8日(2011.12.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−120859(P2010−120859)
【出願日】平成22年5月26日(2010.5.26)
【出願人】(000000941)株式会社カネカ (3,932)
【Fターム(参考)】