説明

繊維強化複合材料およびその複合成形体

【課題】糸および織物の構造的な特徴を生かし、容易に安価に繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を提供する。
【解決手段】炭素繊維束3または/および天然繊維糸4に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸5を巻縫い掛合して複合繊維束糸1を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸1を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に接合した繊維強化複合材料。特に炭素繊維束3の1束ないし複数束または/および天然繊維糸4の1本ないし複数本と熱可塑性の合成繊維糸6を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸5を巻縫い掛合して複合繊維束糸1を形成して繊維強化複合材料を成形することが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、繊維強化分野における、特に炭素繊維や天然繊維に熱可塑性の合成繊維糸を巻縫いした繊維強化複合材料およびその複合成形体に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、軽量で強度が高いことから、炭素繊維の利用が航空機や自動車、ボート、スポーツ分野で行なわれている。たとえば、特開2003−20542号公報や特開10−102792号公報などのように炭素繊維糸を織物や布帛として航空機や構造物の補強用に利用することが提案されている。
【特許文献1】実用新案登録第3115990号
【特許文献2】特開2003−20542号公報
【特許文献3】特開10−102792号公報
【0003】
しかし、炭素繊維は、単繊維糸径が4〜20μmといった極細の繊維長30〜500mmといった短繊維と長繊維のものを数十本〜数千本サイジング剤等で付着して炭素繊維糸としているもので、織物とするときに単繊維糸がばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりしやすく、また炭素繊維糸を織物としてもその厚さが薄いので何枚も重ね合わせなければならざず、その重ね合わせるのにプリプレグ工程等が必要となったりして相当の手間がかかるものであった。
【0004】
そのため、炭素繊維糸にカバリング精紡機でカバリングすることも提案されているが、一本一本の炭素繊維糸にカバリングするもので、装置も大掛かりとなり、手間もかかり、またそのカバリングが伸縮しやすいもので品質が安定しにくいものであった。
【0005】
そこで、本発明者らは、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の1束ないし複数束に合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して炭素繊維束糸や、巻縫いした炭素繊維束糸を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物に形成した炭素繊維糸による織物を提案した。
【0006】
そして、これらの複合繊維束糸やその織物について研究している中に、これらを加熱すると、熱可塑性の合成繊維糸が溶融して炭素繊維束糸と一体的に含浸状態に接合していることを見い出した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、糸および織物の構造的な特徴を生かし、容易に繊維強化がはかれる繊維強化複合材料およびその複合成形体を開発することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、炭素繊維束または/および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に接合したことを特徴とする繊維強化複合材料を提供するにある。
【0009】
また、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の1束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成した繊維強化複合材料を提供するにある。
【0010】
さらに、木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成した繊維強化複合材料を提供するにある。
【0011】
さらにまた、複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して1〜5mmのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合した繊維強化複合材料を提供するにある。
【0012】
またさらに、織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成した繊維強化複合成形体を提供するにある。
【発明の効果】
【0013】
本発明の繊維強化複合材料は、炭素繊維束または/および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に接合したことによって、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束や天然繊維糸に掛合糸で巻縫いできて、単繊維がばらけたり、毛羽立って剥がれたりせず、また炭素繊維束に弾力性を付与できて織物に製織することができるとともに、この織物状シートを加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に含浸状態に接合でき、糸および織物の構造的な特徴を生かした高い強度と靱性をもつ繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。
【0014】
また、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の1束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸も炭素繊維束に一体的に含浸状態に溶融接合できて、より一層の糸および織物の構造的な特徴を生かした高い強度と靱性をもつ繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。
【0015】
また、木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、上記したように引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸も天然繊維糸に一体的に含浸状態に溶融接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるとともに、再利用可能でリサイクル性にも優れ、グリーンコンポジットの成形環境に優しい繊維強化複合材料を得ることができるものである。
【0016】
さらに、複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して1〜5mmのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合することによって、メローミシンで容易にかつ迅速に合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を製造でき、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫いのピッチを変えることで容易に樹脂含有量を調整できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。
【0017】
さらにまた、織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成することによって、成形に溶剤を使用しなくて作業環境特性に優れ、加熱プレスによって圧縮成形できるほか、プレスなどの大型設備がなくてもヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の簡易な加熱器で加熱して所要の形状に成形でき、上記のような糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合成形体を容易に得ることができるものである。特に変形しやすい織物状シートを利用することによって、所望の3次元形状にも容易に成形するようにできるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
本発明の繊維強化複合材料およびその複合成形体は、炭素繊維束または/および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に接合することを特徴としている。
【0019】
複合繊維束糸1は、図1のようにオーバーロックやロックミシンのメローミシン2を利用してマルチフィラメントを束ねた炭素繊維束3の1束ないし複数束または/および天然繊維糸4の1本ないし複数本をメローミシン2に供給し、この炭素繊維束3または/および天然繊維糸4に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸5を巻縫い掛合して形成するようにしている。
【0020】
マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束3は、ポリアクリロニトリルのPAN系の炭素繊維や石油ピッチのピッチ系の炭素繊維などのものが利用でき、PAN系は樹脂をマトリックスとする複合材料として優れた特性を有するので、特に軽量構造用に適する。炭素繊維束3のフィラメントは、直径が約7〜10μmといった極細であり、これらのフィラメントを上記したように1000〜12000本を束ねて0.数mm〜1mm位の太さとし、その際毛羽の発生を防止するのに少量の樹脂をコーティングするサイジング処理をしている。
【0021】
炭素繊維束3は、1束毎等の所定量に掛合糸4を巻縫い掛合できるが、3〜7束、好ましくは3〜5束等の複数束毎に掛合糸5を巻縫い掛合するのが、複合繊維束糸1を太状ないし嵩高にできるものである。炭素繊維束3は、図2(a)のように1束、複数束の場合は図2(b)のように3芯状、さらにこれらの外周部に軸対称に二重、三重状に配設することができる。また、図3(a)、(b)、(c)のように炭素繊維束3に所定径のポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸6を整列状やランダム状に3〜10本程の適宜数の複数本引き揃えて挿入することができる。
【0022】
また、天然繊維糸4は、環境にやさしく木綿や麻等の天然繊維を使用するもので、1本毎に掛合糸5を巻縫い掛合できるが、3〜5本等の複数本毎に掛合糸5を巻縫い掛合することができるものである。炭素繊維束3と同じように天然繊維糸4も、図4(a)のように1本、複数本の場合は図4(b)のように3芯状、さらにこれらの外周部に軸対称に二重、三重状に配設することもできる。また、図4(b)、(c)のように天然繊維糸4に所定径のポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸6を整列状やランダム状に3〜10本程の適宜数の複数本引き揃えて挿入することができる。必要により、炭素繊維束3と天然繊維糸4を引き揃えて挿入することもできる。引き揃えて挿入する熱可塑性の合成繊維糸6としては、ポリプロピレンが安価で、加熱溶融も容易で好ましい。
【0023】
掛合糸5は、ポリプロピレンやポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド等の熱可塑性の合成繊維糸が使用でき、0.1〜10デニールの極細のものが嵩高とならずに掛合できて蜜な織物に形成できて好ましいが、上記した太状や嵩高状の炭素繊維束3のものでは必要により100〜240デニールの適宜の太さの糸を使用することができる。また、掛合糸5は、メローミシン2に供給して1〜5mmピッチで炭素繊維束3や天然繊維糸4に係合していくのが好ましく、かつ炭素繊維束3や天然繊維糸4がばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりするのを有効に防止できて好ましい。特に、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸5の巻縫いのピッチを変えることで、容易に樹脂含有量を調整できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした所定の樹脂含有量の繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。
【0024】
このように形成した巻縫いした複合繊維束糸1は、図5のように織物状シート7とするのに経糸8および/または緯糸9に使用して平織、綾織等の所定の大きさの織物状シート7を製織し、特にばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりするのを防止でき、かつほとんど伸縮性のない炭素繊維束に弾力性を付与でき、また経糸切れ、緯糸切れなくて製織性を向上できる。
【0025】
この炭素繊維束3や天然繊維糸4は、1束または1本以上でよいが、上記したように複数とすることにより、所定の嵩高のものが迅速かつ容易にでき、強度を高められて好ましい。特に、図3(a)〜(c)、図4(b)、(c)のように炭素繊維束3や天然繊維糸4にポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸6を引き揃えるのが、強度を高められて好ましい。なお、本発明の趣旨の範囲で炭素繊維束3や天然繊維糸4、熱可塑性の合成繊維糸6は、対象物によって適宜の太さ、適宜の数とすることができる。
【0026】
上記した掛合糸5は、図1のようにロックミシンのメローミシン2に上記した炭素繊維束3の1束ないし複数束または/および天然繊維糸4の1本ないし複数本とポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸6を引き揃えてメローミシン2に同時に供給し、搖動昇降するミシン針10のポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸の針糸11に掛合糸5と同一のポリプロピレン等の熱可塑性の合成繊維糸の上糸12、下糸13をかがり縫いして巻縫いすることによって、図6のように複合繊維束糸1を容易かつ迅速に得ることができる。
【0027】
このようにして平織り等の所定の大きさに製織した織物状シート7は、所定の金型に装填し、所定の熱可塑性の合成樹脂シートを被覆したり、合成樹脂材を注入し、またこれらを必要とせずに、180〜230℃の所定温度に加熱して加熱プレスで圧縮成形すると、図7のように上記した熱可塑性の合成繊維糸5、6、11、12、13が溶融して炭素繊維束3または/および天然繊維糸4と一体的に含浸状態に接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に安価に得ることができるものである。
【0028】
また、炭素繊維束3の1束ないし複数束または/および天然繊維糸4の1本ないし複数本と熱可塑性の合成繊維糸6を引き揃えて、熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸5を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成することによって、上記のように織物に製織することができるとともに、図8のように引き揃えた熱可塑性の合成繊維糸6が炭素繊維束3または/および天然繊維糸4と一体的に含浸状態に溶融接合できて、より一層の糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができるものである。
【0029】
さらにまた、織物状シート7をヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に成形できるもので、プレスなどの大型設備がなくても、ヒータ、アイロン、熱風ヒータといった簡易な加熱器で加熱して所要の形状に成形できて上記のような糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を容易に得ることができるものである。
【0030】
このようにして平織り等の織物状シート7を加熱プレスで圧縮成形したり、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所望の形状に成形できるものであり、特に変形しやすい織物状シート7を利用することによって所望の3次元形状の曲面体を容易に成形することができるものである。また、木綿や麻等の天然繊維糸を使用すると、グリーンコンポジットの成形環境に優しく、リサイクルが容易な繊維強化複合材料を得ることができるものである。
【実施例】
【0031】
図1以下は、本発明の実施例を示すもので、図1のようにマルチフィラメントを束ねた0.5mm径位の炭素繊維束3を図3(a)のように複数束とポリプロピレンの熱可塑性の合成繊維糸6を3〜5本程の複数本を引き揃えてメローミシン2に供給し、メローミシン2を駆動してミシン針10を搖動、昇降して140デニールのポリプロピレンの熱可塑性繊維糸の合成糸の針糸11を同じくポリプロピレンの熱可塑性繊維糸の上糸12、下糸13を介して同様の合成糸の掛合糸5に2mmピッチで掛合して複合繊維束糸1を形成し、図5のように製織機に経糸8および緯糸9として供給し、平編みとして所定の大きさに製織した。
【0032】
掛合糸5は、図6のように炭素繊維束3のばらけ防止と、毛羽立ち、剥がれを防ぐだけでなく、特にほとんど伸縮性のない炭素繊維糸にループ状となった掛合糸5で弾力性を付与することができる。その結果、経糸切れ、緯糸切れを起こすことなく非常に製織性が向上できる。また、掛合糸5を巻縫い掛合するとき、炭素繊維束3に撚りがかからずに巻縫いをすることができるため、特に非常に細く折れやすい単炭素繊維糸を切断することなく巻縫いできて、複合繊維束糸1の強度を低下させることを防止できるものである。
【0033】
このようにして平織り等の所定の大きさに製織した織物状シート7を所定の金型に装填し、薄い熱可塑性の合成樹脂シートを被覆し、ほぼ200℃に加熱して加熱プレスで圧縮成形して繊維強化複合材料体を成形した。200℃に加熱して成形すると、図7、図8のように上記した熱可塑性の合成繊維糸5、6、11、12、13が溶融して炭素繊維束3に一体的に含浸状態に接合できて、糸および織物の構造的な特徴を生かした繊維強化がはかれる繊維強化複合材料を得ることができたものである。特に、従来のように外部から樹脂を含浸することなく、内部で溶融して炭素繊維束3と一体的に含浸状態に接合できたものである。
【0034】
炭素繊維束3は、複数束として供給することによって、所要の太さの炭素繊維束糸として、図5のように製織機に経糸8および緯糸9として平織等の織物状シート7を形成し、プリプレグ処理等を行なって、できるだけ少なく所要数を積層して手間を少なく補強用に形成できるものである。
【0035】
また、掛合糸5、合成繊維糸6にポリプロピレンの熱可塑性繊維糸を使用することで、作製した複合繊維束糸1の織物状シート7を加熱して容易に樹脂を溶融させた炭素繊維強化複合材料(CFRP)を成形することができ、成形工程の省力化ができる。
【0036】
織物状シート7は、用途によってその幅や長さを適宜に決定でき、従来のFRPやCFRPと同様に自動車やその部材、ボート、スポーツ分野のテニスラケット、ゴルフのクラブシャフト、ヘッド、スキー板、スノーボート、日用品のヘルメット、安全靴、アタッシュケース、OA分野のパソコンや携帯電話などのケース、部品、土木、建築分野の補強材、TV、医療機器、レーザー装置、防弾チョッキ、その他の用途に対応して機械、装置、物品、構造物等の軽量、補強などに有効に対処することができる。
【0037】
なお、複合繊維束糸1を製織した織物状シート7の複合繊維束糸1の方向を、交互に45度等毎に対応するようにしたりして複数層積層して、繊維強化複合材料、その成形体の強度を高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の一実施例の複合繊維束糸の形成説明用図、
【図2】同上の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図(a)、(b)
【図3】同上の他の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図(a)、(b)、(c)、
【図4】同上のさらに他の複合繊維束糸のそれぞれの説明用断面図(a)、(b)、(c)、
【図5】同上の織物状シートの製造説明用概要図、
【図6】同上の複合繊維束糸への掛合糸の巻縫い状態を示す拡大した写真、
【図7】同上の織物状シートを加熱して圧縮成形した状態を示す写真、
【図8】同上の織物状シートを加熱して圧縮成形した複合繊維束糸部の拡大断面写真。
【符号の説明】
【0039】
1…複合繊維束糸 2…メローミシン 3…炭素繊維束 4…天然繊維糸
5…掛合糸 6…合成繊維糸 7…織物状シート

【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素繊維束または/および天然繊維糸に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸を形成し、この巻縫いした複合繊維束糸を経糸および/または緯糸として所定の大きさの織物状シートを織成してこの織物状シートを加熱して上記合成繊維糸を溶融して炭素繊維束または/および天然繊維糸に一体的に接合したことを特徴とする繊維強化複合材料。
【請求項2】
マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の1束ないし複数束とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸とした請求項1に記載の繊維強化複合材料。
【請求項3】
木綿や麻等の天然繊維糸の複数本とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維束糸とした請求項1に記載の繊維強化複合材料。
【請求項4】
複合繊維束糸にロックミシンのメローミシンを介して1〜5mmのピッチで熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合した請求項1ないし3のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項5】
織物状シートを加熱プレスによって圧縮成形、またはヒータ、アイロン、熱風ヒータ等の加熱器によって加熱して所要の形状に形成した請求項1ないし4のいずれかに記載の繊維強化複合成形体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2010−121250(P2010−121250A)
【公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−298009(P2008−298009)
【出願日】平成20年11月21日(2008.11.21)
【出願人】(592216384)兵庫県 (258)
【出願人】(503027931)学校法人同志社 (346)
【出願人】(594134877)宮田布帛有限会社 (6)
【出願人】(508346549)藤邦織物株式会社 (4)
【Fターム(参考)】